浙大這塊碳酸鈣晶體,登上《自然》雜誌

2020-12-01 求是新聞網

　　浙江大學化學系教授唐睿康團隊的一項最新成果，可以迅速在實驗室裡得到釐米尺寸的碳酸鈣晶體大塊材料，並且這些碳酸鈣的製備過程有很強的可塑性，可以像做塑料一樣按照模具形狀長成各式模樣。用這種全新方法做出來的材料具有結構連續、完全緻密的特點，在3D列印和物質修復等領域具有廣泛的應用前景。10月17日，這項研究刊登在國際頂級期刊《Nature》）上。

　　「此前，在無機化學和高分子化學領域中材料的製備方法是完全不同的，但我們這項成果可以說是打破了兩者界限。」唐睿康解釋道，他們的研究是把傳統有機聚合的方法運用在傳統無機材料製備上，提出了「無機離子寡聚體及其聚合反應」的新概念，對傳統學科具有一定的顛覆性。

　　目前實驗室或工業上要合成碳酸鈣這類無機物，通常會採用過飽和溶液結晶方法。但由於在結晶過程中產生的晶核很多並且很難控制，所以無法形成少量的大晶體，而是大量的微小晶體。

　　研究團隊首先想到了一種作用力弱且穩定可控的封端劑——三乙胺。不過，三乙胺和碳酸鈣離子的相互結合要有一個媒介——氫鍵，而這些氫鍵在實驗常用的水溶液中不易形成，研究人員把碳酸鈣水溶液換成了碳酸鈣乙醇溶液，並加入大量三乙胺分子。通過氫鍵的牽線搭橋，三乙胺分子以快於其他碳酸根離子的速度跑向某處高濃度碳酸鈣離子聚集體，阻斷其與外界其他碳酸鈣的聯繫。「這個過程有點像移花接木，讓三乙胺分子佔據原定的鈣離子位置，不讓形成的碳酸鈣離子繼續相互『牽手』，從而形成無機離子寡聚體。這樣，溶液就充滿了大量穩定的寡聚體，通過濃縮也可以形成『一團物質』。」

　　通過課題組這種新方式製造的碳酸鈣是結構連續、完全緻密的，硬度等力學性能更加接近材料的理想狀態。碳酸鈣無機寡聚體還有一個重要特性就是流動性，能做出膠狀物，這樣就能通過模具得到各種形狀的碳酸鈣材料，而過去認為碳酸鈣這類無機礦物由於其硬度和脆性很難實現可塑製備。這意味著碳酸鈣這類無機礦物也可以根據人們的設計通過製備方法的革新獲得多種形狀，這樣就通過無機聚合反應克服傳統無機材料可加工性差的缺點。

　　「很多礦物材料比如大理石甚至方解石單晶的結構修復，也可以通過對應的寡聚體聚合實現。」唐睿康說，「而且，鈣離子和碳酸根離子可以替換成其他陰陽離子，用於其他無機離子化合物的製造，具有很好的廣泛性和通用性。更重要的是，『無機離子寡聚體及它們的交聯聚合』這一個原創的科學新概念，對目前的學科定義和理解具有一定的顛覆性，相信在未來能夠引領更多新材料和材料製備發展的創新。」


《科技金融時報》2019年10月22日02版


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