“硅”根到底,登峰“藻”极|破解“硅藻纳米技术”核心奥秘及新兴应用

发布于 2021-09-03 09:36

硅藻以其独特的二氧化硅纳米/微观结构和性质,在海洋生物学、遗传学、生态学、材料科学、纳米科学、工程学、光学、电子学、医学和农学等领域有数千篇研究论文。今天带来《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》一书，其介绍了硅藻纳米技术新的突破性发现并对潜在的新研究和发展途径进行了讨论,揭示了在硅藻纳米技术领域新方法的巨大潜力。

硅藻纳米技术——政策导向

2014年4月，《粮油储藏技术规范》（GB/T 29890-2013）中华人民共和国国家标准实施。该标准提出了在粮食存储中针对害虫的一系列处理办法，其中化学方法中规定了药品名录，其中就包含了硅藻土，作为了惰性粉杀虫剂。

2016年5月，国务院出台《国务院办公厅关于促进建材工业稳增长调结构增效益的指导意见国办发〔2016〕34号》，针对建材工业增速放缓、效益下降、分化加剧，水泥、平板玻璃等行业产能严重过剩，以及部分适应生产消费升级需要的产品缺乏等日益凸显结构性矛盾问题，提出加快转型升级，开发新型材料。以石墨、高岭土、膨润土、硅藻土等非金属矿精深加工为重点，加大在矿物均化、提纯、超细磨粉、分级级配、表面改性等方面攻关力度，大力发展基于非金属矿物，用于节能防火、填充涂敷、环保治理、储能保温的矿物功能材料。

2019年11月，国家自然科学基金委员会发布了一条以《我国学者揭示湖泊硅藻生物硅的重要“铝汇”作用》为题的报道，在国家自然科学基金项目（批准号：41772041，41202024, 40872042）等资助下，中科院广州地球化学研究所袁鹏研究员课题组在硅藻驱动的硅-铝地球化学共循环机制研究中取得重要进展。相关成果以“Lake Sedimentary Biogenic Silica from Diatoms Constitutes a Significant Global Sink for Aluminium”（湖泊沉积硅藻生物硅构成地球的重要铝汇）为题，于2019年10月23日发表在Nature Communications（《自然-通讯》）上。中科院广州地球化学研究所刘冬副研究员和袁鹏研究员为论文的共同第一作者，袁鹏为通讯作者。鉴于硅藻在全球生物地球化学循环中的重要作用，该研究揭示的“硅藻-矿物基体-溶解铝”之间的独特界面反应机制，为研究硅藻驱动的硅-碳-铝元素循环、硅藻沉积固碳作用乃至硅藻土成矿机制提供了新的依据，对深入理解硅藻生物地球化学行为及其环境效应具有重要意义。

2020年3月，为贯彻落实《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国大气污染防治法》《中华人民共和国水污染防治法》等法律法规，以及《国务院办公厅关于印发控制污染物排放许可制实施方案的通知》（国办发〔2016〕81 号）和《排污许可管理办法》（试行）（环境保护部令第 48 号），完善排污许可技术支撑体系，指导和规范石墨及其他非金属矿物制品制造排污单位排污许可证申请与核发工作，制定本标准，标准号：HJ1119—2020。该标准的颁布体现了硅藻环保新材料开发的重要性。

2021年1月，为深入践行习近平生态文明思想，落实全国生态环境保护大会精神，2020年11月，生态环境部命名表彰了第四批87个国家生态文明建设示范区和35个“绿水青山就是金山银山”实践创新基地，自2021年1月起，我们继续推出“绿色发展示范案例”栏目，对以上示范创建地区践行习近平生态文明思想、协同推进高质量发展与高水平保护的鲜活案例和先进经验予以展示推广。以长白山为例，绿色产业方面，依托资源本底，实现产业转型升级，全市矿产新材料、矿泉水、医药健康、旅游和现代服务业等“新五样”新兴产业增加值占GDP比重达到62.1%，打造形成了“中国硅藻土之都”白山市、“中国人参之乡”抚松县、“中国西洋参之乡”靖宇县、“中国红景天之乡”临江市、亚洲硅藻土之都、中国镁谷、国家级新材料基地、矿泉名城和世界人参之都等一系列国内外知名品牌，“12°粉雪”“22℃夏天”“北纬42°特产”等生态品牌享誉全国。白山始终以绿色发展为引领，以生态文明建设为工作主轴，坚持发展与保护并重，在东北边疆地区走出了一条特色生态文明建设之路，形成了生态文明建设的“白山模式”。

《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》

[澳] 杜桑·洛西奇（Dusan Losic）编　

张育新刘晓英李凯霖译

上海交通大学

《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》独家解读

亮点一：涵盖主题广泛而精辟

亮点二：讲述内容独具创造性

本书解释了为什么硅藻是研究自然界微尺度和纳米尺度操作的理想选择，硅藻是大自然造就的纳米技术和纳米流体的天然模型。亚里士多德说：“大自然的每个领域都是美妙绝伦的”，硅藻的美妙在于它天然而成且与纳米技术一样具有的特殊性、神奇性和广泛性。

亮点三：本书语言通俗易懂

本译著从译者本身研究去理解并着手将原著中晦涩难懂的专业词汇转化为能被广大读者接受的说法，让读者读来觉得是专业书的同时，又像科普书一样简单容易理解。

序　言　1

《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》具有高度的科普性质，它应该能引起广大读者的兴趣，读者可以是教育工作者、硅藻爱好者，也可以是环保生态、建筑材料、生物材料等领域的工程师。本书为读者提供了一个极好的非专家视角，既为感兴趣的读者提供新的见解，还对硅藻纳米技术的最新进展进行了介绍。它既可以作为中小学生的课外读物，也可以作为本科生和研究生的通用读物。此外，我希望本书能够进入大学课堂并激发大家的兴趣，能够引起广大科研工作者在硅藻纳米技术这个领域开展深入研究，并找到解决问题的新方向。我也相信本书的价值—— 硅藻纳米技术的研究应用能为未来的高科技新兴应用和颠覆行业打下坚实的基础。

2020年9月7日

序　言　2

2020年5月29日下午，我有幸聆听了重庆大学材料科学与工程学院张育新教授对硅藻深入浅出的演讲，精彩的演讲体现了他对硅藻的痴迷。硅藻微小以及复杂独特的结构与作用让我为之感到惊叹。惊叹之余的好奇使我对硅藻这个大自然纳米尺度的微观世界，有了想要去进一步深入了解的想法，正如亚里士多德的感言：“古往今来人们开始探索，都应起源于对世界万物的惊异。”当时，张育新教授还告诉我，他们正在翻译世界最前沿的关于硅藻的研究资料。6月29日，我拿到了《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》的译著书稿，这本译著有10章，是世界各地硅藻研究的主要专家对硅藻纳米技术领域最新进展和新兴应用进行的广泛跨学科的研究总结。《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》引人入胜的介绍，颇让我有在大自然广袤世界和硅藻微观世界中畅游之感！本书解释了为什么硅藻是研究自然界微尺度和纳米尺度操作的理想选择，硅藻是大自然造就的纳米技术和纳米流体的天然模型。亚里士多德说：“大自然的每个领域都是美妙绝伦的”，硅藻的美妙在于它天然而成且与纳米技术一样具有的特殊性、神奇性和广泛性。我想这或许是吸引国内外专家对硅藻进行执着研究的原因之一。此外，硅藻只是一种能进行光合作用的微观单细胞浮游植物，为什么它能成为地球上最丰富的光养生物之一？为什么它能占地球上所有初级生产的四分之一？为什么它能成为宿主固氮共生体的佼佼者（能固定全球25%的有机碳和氧，为人类默默的奉献）？没有一种生物结构像硅藻那样微小而复杂！达尔文说：“能够生存下来的物种，并不是那些最强壮的，也不是那些最聪明的，而是那些对变化作出快速反应的。”在生态系统竞争中，硅藻如何利用其自身微小而复杂的纳米结构显现出在全球食物网和生物地球化学过程中的重要性？硅藻的特性给当今人类以怎样的启示呢？《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》揭示了硅藻纳米技术在诸多领域巨大的应用潜力。

黑格尔说：“一个深广的心灵总是把兴趣的领域推广到无数事物上去。”我非常感谢在重庆有张育新这样优秀教授带领的团队对硅藻痴迷的探索与研究。本书的出版将弥补国内科研工作者对硅藻纳米技术缺乏系统性研究的不足，我衷心地希望本书能够引起物理学、化学、材料学、生物学、电子学和力学等相对独立又相互渗透学科的专家学者和企业家的兴趣，希望本书能走进大学、中学、小学的课堂，开启人们探索大自然奥秘、热爱自然、服务人类社会的旅程！

2020 年7月13日于重庆

前　言

《硅藻纳米技术的进展和新兴应用》介绍了硅藻纳米技术这一引人入胜的新领域的最新进展，它是对被称为硅藻的单细胞藻类进行广泛跨学科研究的总结。硅藻以其独特的二氧化硅纳米／微观结构和性质，在海洋生物学、遗传学、生态学、材料科学、纳米科学、工程学、光学、电子学、医学和农学等领域有数千篇研究论文。

第1章由詹姆斯·米切尔撰写，他给出了一个启发灵感的说明，解释了为什么硅藻是研究自然界微尺度和纳米尺度操作的理想选择，因为它们的结构可以改变全球尺度上有机碳和氧的生成，这使得它们成为生物圈的关键环节。这些原理可以被用于生物圈的大部分地区以及化学和工程应用中。

第2章由加里·罗森加滕等撰写，从宏观湍流到纳米扩散等尺度上，研究硅藻结构与其流动环境之间复杂的相互作用，揭示了关于硅藻以一系列方式控制自身的基本概念，其中这些方式可以影响它们对营养物质的吸收和颗粒的分类。这些变化包括浮力的变化和旋转、在纳米尺度上对其表面流线的局部操纵和旋转以及通过硅质孔隙的过滤。硅藻的这些概念可以被转化和工程化，使之成为新的材料和设备。

第3章由范德纳·维纳亚克等撰写，重点介绍了纳米器件和纳米传感器中硅藻表面纳米工程以及它们的生物医学应用的最新研究进展，包括检测抗体和生物分子的“芯片实验室”以及疾病诊断的生物传感设备等。

第4章由罗勒撰写，重点介绍了功能化纳米结构硅藻壳体的生物和化学方法，为光电子和生物纳米技术的自底向上组装和功能化提供了一个新平台，提出了这一快速发展领域的未来发展方向，包括硅藻壳体在薄膜器件中生物制造过程以及硅藻细胞的基因工程的发展，证明了生物二氧化硅壳体上多功能生物分子在生物纳米技术中具有更广泛的应用。

第5章由卢卡·德斯特凡诺等撰写，回顾了该小组最新的研究成果，主要是硅藻的生物光子特性方面的研究，展示了硅藻微／纳米结构是如何利用自然产生光进行操纵的，利用这种低成本、高可用的材料可以有效地实现低成本光学生物传感器、光学器件、微透镜等设备的开发利用。

第6章由克鲁格等撰写，总结了利用蛋白质功能化硅藻的合成路线和生物技术遗传途径，并描述了这些材料在催化、生物传感和药物输送方面的特性及其展望。

第7章由沃尔克等撰写，介绍了硅藻壳体在染料敏化太阳能电池和光电化学制氢的改性和应用方面的最新、最前沿的研究动态。具有绿色和轻量化优势的能源收集、能源生产和能源储存设备的进展可以作为未来能源系统的蓝图，这意味着关于硅藻壳体在太阳能电池中的应用的研究有望在未来十年开始从实验室过渡到市场应用。

第8章由张育新撰写，重点介绍了硅藻结构与其他纳米材料相结合及其应用于储能方面的最新研究进展。对于这些硅藻基材料应用在锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、储氢和热能储存等能源相关领域方面，他提出了许多新颖且有发展空间的观点。

第9章由桑托斯等撰写，介绍了硅藻在药物输送应用方面的最新进展，展示了硅藻载体的制备、表面生物工程、生物相容性试验、细胞吸收和传递不同治疗分子的能力，其中包括抗癌药物。该章节所提出的结果和概念是令人兴奋的。对于硅藻质二氧化硅不仅能作为合成多孔硅和其他人工材料的低成本替代品，也能用于制备未来智能药物的传输装置。

第10章由杜桑·洛西奇等撰写，重点介绍了在广泛的生物医学应用中使用硅藻土和硅转化的最新研究进展，包括在癌症治疗、出血控制和组织工程中的可调和反应性药物释放。介绍了硅藻土作为一种天然、无毒、无化学和抗药性的储粮保护杀虫剂应用的最新进展，描述了其来源、颗粒大小、化学成分、用量、物理条件和昆虫种类对其杀虫性能的影响。

由于本书具有高度的跨学科性质，它应该引起广大读者的兴趣，包括本科生、教育工作者、硅藻爱好者、学术界的科学家和跨学科的工程师，从物理、化学、材料科学到海洋生物学、显微镜、生物工程和医学。本书为非专业学者提供了一个极好的视角，为感兴趣的科学家提供新的见解外，提供了对现有文献的最新评论，为这个新兴的研究领域提供了一个新的开端。本书既可以作为本科生课程的教材，也可以作为研究生的通用教材。博士后和资深研究人员将发现在生物纳米材料、生物光子学、纳米流体学和药物传输领域找到一份最新研究报告。我希望这本书能激发大家的兴趣，鼓励大家开始在硅藻纳米技术这个不错的领域进行研究，并找到解决许多问题的新方向。我也相信本书对许多创业者和商业人士都是很有价值的，他们正在努力更好地理解和评估纳米技术以及新的纳米材料，为未来的高科技新兴应用和颠覆性技术产业打下坚实的基础。

我代表所有作者，感谢RSC出版团队在支持出版本书的想法方面所做出的努力，以及在各章的编写、审查和编辑过程中提供的巨大的帮助。

杜桑·洛西奇

澳大利亚阿德莱德大学

目　录

左右滑动查看更多>>>

作者简介

张育新，重庆大学材料科学与工程学院教授，长期从事硅藻及硅藻土环保新材料的精细调控并在多个应用领域中展开研究工作。他在 Nat. Chem.、JACS、Adv. Mater.、ACS Nano、J. Mater. Chem. A等期刊上共发表 SCI 论文 270余篇，包括 ACS Nano (1 篇)、J. Mater. Chem. A (16 篇)、J. Power Sources (10 篇)、J. Hazard. Mater. (2 篇)、Electrochim. Acta (10 篇)、Sci. Rep.（2 篇）、Dalton Trans (5 篇)；受邀发表特约综述 2 篇 (J. Mater. Chem. A)。所发表论文中， 19 篇入选 ESI 高被引论文， 2 篇被评为热点文章，10篇被编辑选为封面文章，2 篇论文获重庆市科协首届自然科学优秀学术论文奖。截止到 2021年 8月，论文引用 13307 余次，近五年引用 12273 余次，H index 为 61，单篇他引最高次数达 658 次。现担任Nano Materials Science 执行副主编、Nanomaterials and nanotechnology 副主编、Frontiers in Chemistry 专题编辑、Scientific Reports 编委、J. Chemistry 的客座编辑、Frontiers in Materials 编委、功能材料学会理事、《功能材料》编委，Energ. Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等材料物理化学领域的国际期刊审稿专家；2017 年入选英国皇家化学会期刊TOP10优秀审稿人；2020年入选“科睿唯安全球高被引科学家”；主持国家自然科学基金等科研项目 7 项；荣获重庆市科技进步奖一等奖一项（排名第二），重庆市自然科学奖三等奖一项（排名第一）；2020年中国非金属矿科学技术奖二等奖一项（排名第一）；获授权发明专利 8 件；在科学出版社出版专著2部，国外专著章节 5 部；国际会议邀请报告 3 次，担任国际会议分会主席 2 次，担任首届中国-新加坡前沿科技创新大会的大会秘书长、新加坡国立大学重庆校友会主席。此外，张育新教授与美国、新加坡、韩国、澳洲等多个国家以及国内的多个课题组开展合作研究。

本文来自网络或网友投稿，如有侵犯您的权益，请发邮件至：aisoutu@outlook.com 我们将第一时间删除。