自然界的生物物质经过几十亿年的进化和自然选择，生长出很多人工制造无法完成的精妙的微结构，得到很多独特的性能。仿生材料是近二十年里材料科学研究的热点。它是以模仿生物结构性能为基础，通过发现和研究自然界物质特殊或者有意义的结构和功能，然后通过各种制备手段人工制取并获得类似结构的材料，进而得到类似的功能。

在材料科学与工程中，有四个基本的要素：制备加工（processing）、结构（structure）、性能（property）和服役性能（performance），自然界的生物物质也具有类似的要素。通过学习自然生物结构、或者生物结构-性能的关系，采用实验室技术获得类似的结构，可以得到类似的性能，得到仿生材料。通常，自然物质可以在室温下完成结构形成过程，生长出精妙的微结构，得到独特的功能，而我们采用现代工业方法制备类似性能的材料往往需要高温等条件。考虑成本、资源的节约，发展材料的制备新技术，一个新的研究方向被提出来了—材料的过程仿生制备技术，也就是学习自然制造过程以及自然制造过程-生物结构的关系。通过材料的过程仿生制备技术可以得到仿生材料。

“材料的过程仿生制备技术”作为一个新的研究方向，在某些方面取得了若干有趣的阶段性成果，在此研究中，值得材料科学家学习的典型生物合成与制造方法包括生物矿化、光合作用和其它生物过程。生物矿化是指由生物体通过生物大分子的调控生成无机矿物的过程。与一般矿化最大不同在于有生物大分子生物体代谢、细胞、有机基质的参与。它是生物形成矿物的作用，是生物在特定的部位，在一定的物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。光合作用是另一种室温下完成的生物合成过程，其核心是二个光系统（光系统Ⅰ和光系统Ⅱ）的捕光与激发、电子传输、以及在活性位点上的氧化还原反应。自然界的生物矿化能够精确地控制过程而获得精细的晶体结构但合成和制造慢、效率低；人工光合反应可以利用自然和模拟光系统以及光生电子和空穴，合成新的材料，但难以企及生物矿化对晶体结构的精确控制。而将光合作用与生物矿化相结合的合成与制备技术则可以实现光能辅助下的矿化过程加快以及对结构的控制。

目前已有一些关于利用人工光合作用制备无机材料的研究，但由于光生电子及空穴的能量较低，难以克服室温下晶体形成所需的活化能，阻碍了绝大部分无机材料的制备，导致光合作用启示的合成方法并未上升为一种常用无机材料的制备策略。另一方面，研究表明具有矿化能力的细胞或有机质，例如蛋白可通过晶格几何特征、极性、立体化学互补、空间对称性等特殊方式降低晶体成核的活化能，改变传统制备技术中需要温度的非生物材料的结晶途径，克服其势垒，从而实现非生物材料的低温或室温合成。因此，利用光能辅助驱动力加快生物矿化过程，克服材料形成所需活化能，实现对结构的精细控制，从而提升材料的性能，是发展全新、高效的无机材料室温制备的有效策略。

本课题设计将重点研究光系统与生物矿化耦合条件下的晶体结构与形貌形成机制。揭示光合作用与生物矿化耦合效应下有机质与材料的界面效应，揭示光合作用与生物矿化耦合效应在不同合成体系中对材料结构形成过程的影响规律。设计基于光合作用与生物矿化耦合效应的材料合成体系，实现高性能无机材料的高效室温制备。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1、通过热力学计算晶化过程所需活化能，选择合适的无机材料作为研究对象，设计基于光合作用与生物矿化耦合效应的典型的材料矿化合成体系；