橡膠、陶瓷、塑料是三種性質不同的材料。如果把橡膠的高彈、陶瓷的堅硬、塑料的可塑性能結合起來，會形成一種什么樣的新材料呢?這種看似天馬行空的想法，如今卻變成了現(xiàn)實——浙江大學化學系唐睿康教授、劉昭明研究員團隊合作發(fā)明了一種新物質，實現(xiàn)了硬度與彈性在同一物質中的“兼容”，同時還能像塑料那樣擁有良好的可加工性。研究團隊將該材料“命名”為彈性陶瓷塑料。6月8日，該研究成果刊發(fā)在期刊《自然》上。
剛柔并濟的“五邊形戰(zhàn)士”
據(jù)唐睿康介紹，彈性陶瓷塑料看上去像一塊堅硬透明的塑料，其基本結構單元是一種有機共價和無機離子的雜化分子。該材料因擁有類陶瓷的強度與硬度、類塑料的可塑性與循環(huán)性，兼具類橡膠的形變能力這五種迥異的性質，被譽為材料界的“五邊形戰(zhàn)士”。
該成果受到了審稿人的高度評價：“這是一種全新的材料，不僅會引起材料科學界的關注，也同樣會引起整個科學界的興趣。”
唐睿康表示，從化學分子的層面來看，這種新型的彈性陶瓷塑料是由一種名為有機—無機/共價—離子雜化分子所組成。這些分子可以在材料內(nèi)部構建出共價網(wǎng)絡和離子網(wǎng)絡相互穿插的雙網(wǎng)絡結構。其中，離子網(wǎng)絡充當陶瓷的角色，可使得材料堅硬、不形變；而共價網(wǎng)絡的存在賦予材料彈力，不僅提供了緩沖，還能使得材料在受到壓力過后恢復原狀。雜化分子作為不同網(wǎng)絡的鏈接點使它們能夠相互協(xié)同，其中網(wǎng)絡中的共價鍵和離子鍵具有可逆的操控性，賦予材料類塑料的反復加工性。
這種特殊的雜化結構還賦予了彈性陶瓷塑料阻燃和過濾紫外線的能力。研究表明，有機—無機體系在分子尺度的雜化能夠賦予新材料新的性能，有助于未來發(fā)現(xiàn)更多的新材料。
用做塑料的方式合成無機材料
“盡管化學研究者們一直在推動著有機化學和無機化學的交叉融合，但在分子層面上能將傳統(tǒng)的有機化合物與無機離子化合物結合卻是一個挑戰(zhàn)。”唐睿康解釋說。以彈性陶瓷塑料為例，塑料是典型的高分子化合物，它的制備是基于共價鍵的鏈增長;碳酸鈣作為離子化合物，是基于離子的靜電堆積而形成的。由于化學鍵的不同，它們在分子層面的結合在過去是無法想象的。
早在2019年，唐睿康團隊在材料制備過程中就跨越了這道高分子化學與無機化學的邊界，提出“無機離子聚合與交聯(lián)”新概念，實現(xiàn)了“用做塑料的方式合成無機材料”。在該研究中，他們獲得一種有結構的無機離子團簇并將其命名為“無機離子寡聚體”。這種結構能夠像高分子化學中的單體一樣進行相互聚合與交聯(lián)。而所獲得的碳酸鈣無機離子寡聚體也就是此次彈性陶瓷塑料研究工作中雜化分子的無機片段。
在此基礎上，團隊又開始尋找合成雜化分子的“另一半”。“課題組開展針對無機離子寡聚體的官能團化反應路線，將硫辛酸有機分子結合在無機碳酸鈣離子化合物分子上，合成了全新的有機—無機/共價—離子的雜化分子。”唐睿康說。
為了證實硫辛酸與碳酸鈣結合形成了雜化分子而不是簡單的混合物，團隊又進行更有挑戰(zhàn)性的表征工作。“以往沒有對此類新型雜化分子的檢測方式，我們主動發(fā)展并建立新方法。在儀器專家和實驗技術人員的幫助下，團隊用質譜分析證實了雜化分子的存在。我們還在冷凍電鏡下觀察到材料內(nèi)部中的有機、無機兩個片段及其所構建的雙網(wǎng)絡結構。”唐睿康介紹。
工業(yè)化應用仍需努力
唐睿康表示，當一類新材料出現(xiàn)時，就有可能對人類生活以及未來科技發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。當然，作為基礎研究，最重要的是提供一種新概念、新方法、新策略。
“基礎研究只是撬開了門縫，要想沿著全鏈條創(chuàng)新的道路走下去，還是需要技術轉化研究和產(chǎn)業(yè)應用研究團隊的跟進與努力。”唐睿康說，圍繞國家戰(zhàn)略展開基礎研究是開辟新賽道的重要途徑。基礎研究成果保證了起跑線上的領先，但這對占據(jù)科研創(chuàng)新的制高點是不夠的。
唐睿康也介紹了團隊的其他基礎研究方向，如仿生物礦化實現(xiàn)無機材料可塑制備、人造細胞器等一系列充滿奇思妙想的基礎研究。他表示，這些先進的研究方向，需要各領域研究者一起努力，將“點突破”變成“面突破”，進而構建出“體系突破”、造福于社會的創(chuàng)新生態(tài)。
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