生物矿化与自组装形成的分级结构具有复杂的美学、令人着迷。自然界的美促使科学工作者试图找出其中的形成规律和机理,为人工自由设计和制备多用途的分级结构功能材料提供理论依据,具有重要科学指导意义。当前的自组装研究主要通过定性或经验性调整实验工艺参数来控制自组装材料的生长方式和结构,缺乏定量的理论框架和对分级结构的精确表征和控制,具有一定的局限性。在制备分级结构中,分析多因素协同作用、调制材料多功能性和合成新的超结构是研究分级结构材料的热点也是难点。为探究自组装形成分级结构的机制并发现新的超微结构,本文选择了具有结构多样性的硅基碳酸盐系统,该系统可以产生具有代表性的树枝状、瓶状和螺旋状仿生分级结构,是理想的研究模型。由于硅酸大分子结构复杂,为简化模型本工作优先研究了碳酸盐自组装系统。论文的主要研究结果如下:首先,本文探究了碳酸盐自组装系统自组装分级结构的形成机理。采用表面扩散原理建立生长模型,并通过第一性原理计算和晶体学分析碳酸盐各晶面的表面能和应力-应变,评价了缺陷对生长方向的影响,提出了以纳米晶为基础建筑单元的自组装方法和作用机理。与此同时,论文还利用过饱和度和晶格失配研究不同晶型的碳酸钙基底上生长碳酸钡和硅基碳酸锶分级结构的特性,提出了分级结构形成的内在形成机制。其次,基于上述基本原理,建立了仿生分级结构的统一化唯象几何生长模型。通过从实验数据中获得的硅基碳酸盐的形核和生长速率特征,归纳总结并确定了其生长边界参数,建立了三种典型形态（平板状、花状和螺旋状）的统一化唯象生长模型。该模型量化了硅基碳酸盐分级结构的外形生长轨迹和生长速度,利用仿真数值模拟验证了模型的正确性,为指导仿生分级结构的制备和预测潜在的新结构提供理论依据。其三,利用上述统一化唯象几何生长模型,详细分析了有机-无机添加等多因素协同作用对仿生分级结构的影响,提出了相关的作用机制,并且可控制备出多种新型仿生分级结构。本研究发现,引入无机金属阳离子、有机阳离子表面活性剂和聚合物来改变水溶液化学环境能够明显干扰碳酸盐矿物的结晶、沉淀动力学和晶体形态。基于此,本文提出了多因素协同作用对抑制或促进碳酸盐形核和长大的影响机制和模型。最后,通过以上对该系统的机理和制备方法的深入研究和理解,建立了微流控技术构建三相界面局域微环境,通过调控p H、溶液浓度、温度和CO2浓度,制备出了结构多样复杂、尺寸可控且生长方向确定的自组装分级结构阵列。该阵列表面具有耐UV、耐湿度和耐酸碱性的超疏水特性,其超疏水特性和可调的附着力与多级结构具体参数,如臂数和分支间隙距离等,密切有关。综上所述,本文通过硅基碳酸盐仿生分级结构的制备和机理研究,建立了一套该系统自组装分级结构的理论模型和内在影响机制分析方法,并利用其规律制备出了可控的新型分级结构,为拓展至其他系统的自组装分级结构提供了新思路和方法。