城大研發受生物礦化啓迪的綠色陶瓷製作方法

現代科技通常需要高溫來控制陶瓷的含水量。然而，即使是最先進的技術也只能控制整體的含水量。相比之下，自然界可以在溫和的水環境中產生具有可調水合特性和結晶行爲的生物陶瓷。

最近，香港城市大學（城大）的研究團隊展示了一項可能的仿生礦化策略，透過壓縮由生物體內常見離子（Ca²⁺、Mg²⁺、CO₃²⁻ 和 PO₄³⁻）合成的純無機凝膠，可以控制陶瓷的水合和結晶行為。這些無機凝膠在溫和壓力下能夠生成透明的陶瓷片，壓力水平則影響它們的水合和結晶行為。

城大工學院院長兼機械工程學系講座教授呂堅教授指出：「至少五億年前，生命已經可以構築令人嘆爲觀止的陶瓷結構。生命如何在生物相容的水環境中精準實現陶瓷製造與調控，這一難題已經困擾了科學家幾個世紀。而我們的這項研究為生物礦化謎團提供了新的綫索。」

城大材料科學及工程學系副教授李揚揚教授補充道：「其中的關鍵在於首先得到穩定的無定形礦物凝膠，這可以通過簡單混合鹽溶液來實現。這種穩定的凝膠便於後續的儲存、運輸、成型，並能被轉化為具有不同性能的生物陶瓷塊體。」

此研究展示了在生物相容的水環境中，將鹽水溶液轉化為堅硬透明的陶瓷的礦化過程。它提供了有關生命如何在溫和條件下調節無定形生物陶瓷水合狀態的新見解，揭示了有序排列的水分子在結晶過程中的關鍵作用。此外，研究發現了一種生物相容的合成路徑，可以製備一種可促進骨生長的天然生物礦物 — cattiite，為其在生理條件下的生成機制通過了新的綫索。

值得一提的是，雖然在是次研究中使用的壓強範圍（≤ 1 GPa）較大，但如作用在微納尺度，所需壓力實則非常微小。考慮到生物體中的礦物通常由納米顆粒堆疊而成，生命也許僅需很小壓力即可完成生物礦化工程。

如果科學家們可以理解掌握如何在溫和條件下調節陶瓷水合狀態及控制其融合、相變等性質，就為一種全新、更環保及更經濟的先進陶瓷工藝開闢了道路。同時，這項研究還可能對環境科學有所貢獻。例如，通過理解生物體如何調節其礦物質的水合狀態及結晶行為等性質，便能更好地保護和恢復珊瑚礁等重要生態系統。

 

相關的研究成果已在學術期刊 Science Advances《科學進展》上發表，題為 <從鹽水到生物陶瓷：模仿自然透過壓力控制的水合和結晶>。
 

如有查詢，歡迎聯絡城大工學院院長兼機械工程學系講座教授呂堅教授（電郵： jianlu@cityu.edu.hk ）。