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浙大科學(xué)家創(chuàng)造出新物質(zhì)“彈性陶瓷塑料”:兼具陶瓷、橡膠、塑料特性
最后更新: 2024-05-08 21:51:50據(jù)浙江大學(xué)微信公眾號(hào)6月8日消息,浙大團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出新物質(zhì),成果登上《自然》。
陶瓷和橡膠是我們生活中經(jīng)常用到的兩種材料。在我們的印象中,陶瓷是硬邦邦、脆生生的,一旦手滑摔地上就“呯”的一聲碎掉了。而橡膠,給大家的感覺(jué)是軟軟的、彈彈的,用力捏一下,它會(huì)凹進(jìn)去,然后又還原成老樣子。
硬度和彈性在自然界中是一對(duì)“矛盾體”,想要一個(gè)物質(zhì)同時(shí)擁有兩種特性,似乎是天方夜譚。
近日,浙江大學(xué)化學(xué)系唐??到淌凇⒄衙餮芯繂T合作團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一種新物質(zhì),將有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)離子化合物在分子尺度融合在一起,完美地實(shí)現(xiàn)了硬度與彈性在同一物質(zhì)中的“兼容”,同時(shí)還能像塑料那樣擁有可塑性。
此前科學(xué)界主要通過(guò)將有機(jī)物與無(wú)機(jī)物混合在一起來(lái)嘗試折中兩種物質(zhì)的性能,在微觀尺度上有機(jī)物和無(wú)機(jī)物仍然是相對(duì)獨(dú)立的存在。而這次浙大團(tuán)隊(duì)首次在分子級(jí)別上實(shí)現(xiàn)有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)離子化合物的結(jié)合,得到了一種性質(zhì)完全不同于以往材料的新物質(zhì)。團(tuán)隊(duì)將這種新物質(zhì)命名為“彈性陶瓷塑料”。北京時(shí)間6月8日,這項(xiàng)成果在線刊發(fā)在國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》上。論文第一作者為化學(xué)系博士生方威風(fēng),共同通訊作者為唐??岛蛣⒄衙?。研究工作獲得浙江大學(xué)慕昭博士,博士生何彥、孔康任,華東師范大學(xué)姜?jiǎng)P副研究員的支持。
平平無(wú)奇的“黃紐扣”
編輯在現(xiàn)場(chǎng)看到,這個(gè)新物質(zhì)是一顆像紐扣一樣的黃色小塊體,表面上看平平無(wú)奇。就連課題組一開(kāi)始也沒(méi)意識(shí)到這是一個(gè)新物質(zhì)。
彈性陶瓷塑料
當(dāng)然,這樣的新物質(zhì)不會(huì)憑空出現(xiàn),之前經(jīng)歷了相當(dāng)長(zhǎng)的“孕育”過(guò)程。
在傳統(tǒng)的認(rèn)知中,無(wú)機(jī)化學(xué)和高分子化學(xué)領(lǐng)域中材料的制備方法是完全不同的,但2019年,唐??祱F(tuán)隊(duì)提出了“無(wú)機(jī)離子寡聚體及其聚合反應(yīng)”的新概念,打破了兩者界限。
既然可以像做塑料那樣制備碳酸鈣,那么,能不能用有機(jī)化學(xué)的辦法來(lái)做無(wú)機(jī)物呢?課題組進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。
“有機(jī)物靠共價(jià)鍵連接,無(wú)機(jī)離子化合物因離子鍵而結(jié)合,要在一個(gè)分子里面實(shí)現(xiàn)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的合一,這個(gè)媒介就很重要了?!碧祁?嫡f(shuō)。
課題組將有機(jī)化學(xué)中“官能團(tuán)化反應(yīng)”這一合成理念融入到了無(wú)機(jī)合成化學(xué)中,設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)機(jī)離子寡聚體的官能團(tuán)化反應(yīng),把有機(jī)功能分子引入到了“無(wú)機(jī)離子分子”中,實(shí)現(xiàn)了具有有機(jī)片段和無(wú)機(jī)離子片段的雜化分子合成。
“在篩選了很多化學(xué)反應(yīng)后,我們最終選擇了無(wú)機(jī)化學(xué)中經(jīng)典的酸堿反應(yīng)。這種方法可以簡(jiǎn)單快速地連接堿性離子鹽與酸性的有機(jī)分子,從而構(gòu)成雜化分子。我們以碳酸鈣寡聚體和硫辛酸分子為例,通過(guò)離子片段的聚合和硫辛酸中二硫鍵的聚合反應(yīng),就可以從雜化分子‘自下而上’地形成宏觀材料。”劉昭明說(shuō)。
由這個(gè)雜化分子聚合而成的宏觀材料就是我們最終看到的“黃色小紐扣”。
內(nèi)有玄機(jī)的新結(jié)構(gòu)
這個(gè)雜化分子所形成的物質(zhì)結(jié)構(gòu),并不只是實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)物有機(jī)物“手拉手”這么簡(jiǎn)單。通過(guò)冷凍電鏡實(shí)驗(yàn)做三維成像,課題組發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)新的結(jié)構(gòu)。
在這個(gè)分子中,無(wú)機(jī)離子鍵網(wǎng)絡(luò)和有機(jī)共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)交織穿插在一起,“你中有我,我中有你”。這個(gè)相互穿插的網(wǎng)絡(luò)就像一個(gè)可以伸縮的骨架,既有無(wú)機(jī)物的屬性又保留有機(jī)物的特點(diǎn),所以兼具一定的硬度和彈性。在施加一定的外力時(shí),無(wú)機(jī)骨架可以提供硬度和強(qiáng)度。在外力很大發(fā)生彈性形變時(shí),整個(gè)骨架變形產(chǎn)生緩沖作用。在撤除外力后,有機(jī)骨架發(fā)揮回彈作用,使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)又能恢復(fù)原樣。
離子-共價(jià)雙網(wǎng)絡(luò)的冷凍電鏡三維重構(gòu)圖、二維重構(gòu)圖與電鏡圖
“這種有機(jī)共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)和無(wú)機(jī)離子鍵網(wǎng)絡(luò)相互穿插的結(jié)構(gòu)是以往沒(méi)有的,”唐睿康介紹說(shuō),以往的有機(jī)物無(wú)機(jī)物融合,是兩者的簡(jiǎn)單疊加,好比說(shuō),把無(wú)機(jī)物粉末倒入有機(jī)物的框架里,再攪拌均勻,如果一層層細(xì)分下去,到了分子級(jí)別,仍然是“你歸你,我歸我”,所以更準(zhǔn)確地說(shuō),只是兩者的混合,“我們這次實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了過(guò)去沒(méi)有的全新分子,所以得到了全新的結(jié)構(gòu),打破了傳統(tǒng)有機(jī)化合物和無(wú)機(jī)離子化合物在分子尺度的隔閡。”
全能的“五邊形戰(zhàn)士”
化學(xué)是一門(mén)創(chuàng)造新物質(zhì)的學(xué)科。
浙大這項(xiàng)成果,簡(jiǎn)而言之,就是科研人員通過(guò)拼接的含有有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的分子單元,創(chuàng)造出了一個(gè)新的分子,從而構(gòu)成了新的物質(zhì)世界。
這個(gè)打破認(rèn)知的新物質(zhì),在分子層面上看是相互交織的有機(jī)共價(jià)和無(wú)機(jī)離子網(wǎng)絡(luò),其中有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的化學(xué)比例大約各占一半,在宏觀材料上說(shuō)就是兼具橡膠與陶瓷特性的復(fù)合塑料。
浙大科學(xué)家將這個(gè)新物質(zhì)的性能與代表性的陶瓷、橡膠、塑料、金屬作對(duì)比,發(fā)現(xiàn)它在硬度、回彈、強(qiáng)度、形變和可加工性等幾個(gè)指標(biāo)上,都達(dá)到了高分,既有大理石的硬度,又有橡膠的彈性,還有塑料的可塑性,而且還有一個(gè)傳統(tǒng)塑料所沒(méi)有的特性:加熱后不會(huì)軟化。功能之強(qiáng)大,可謂是一個(gè)“五邊形”戰(zhàn)士。
彈性陶瓷塑料與其他材料的五項(xiàng)性能對(duì)比
唐??嫡f(shuō):“從新分子到新結(jié)構(gòu)再到新材料,我們打開(kāi)了一個(gè)新世界?!?
成果受到了論文審稿人和編輯的高度評(píng)價(jià):“本文報(bào)道了一種全新的材料,具有陶瓷的強(qiáng)度和硬度,具有聚合物的變形性、柔性和彈性。這不僅會(huì)引起材料科學(xué)界的關(guān)注,也同樣會(huì)引起整個(gè)科學(xué)界的興趣,因?yàn)樾虏牧峡偰艽蜷_(kāi)新的可能性。”同期《自然》還配有專(zhuān)門(mén)的研究簡(jiǎn)報(bào)。
談及下一步工作,唐??嫡f(shuō),新分子新結(jié)構(gòu)新材料,有望應(yīng)用在從基礎(chǔ)化學(xué)到材料科學(xué)等諸多研究領(lǐng)域上,同時(shí)也給未來(lái)科學(xué)研究留下了更多想象的空間。
項(xiàng)目獲得國(guó)家自然科學(xué)基金(22022511, 22275161),國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2020YFA0710400),中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(226-2022-00022, 2021FZZX001-04)的資助。
具有雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的彈性陶瓷塑料概念圖
- 責(zé)任編輯: 范維 
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