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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6月8日消息,浙大團(tuán)隊創(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,給大家的感覺是軟軟的、彈彈的,用力捏一下,它會凹進(jìn)去,然后又還原成老樣子。
硬度和彈性在自然界中是一對“矛盾體”,想要一個物質(zhì)同時擁有兩種特性,似乎是天方夜譚。
近日,浙江大學(xué)化學(xué)系唐??到淌?、劉昭明研究員合作團(tuán)隊發(fā)明了一種新物質(zhì),將有機化合物與無機離子化合物在分子尺度融合在一起,完美地實現(xiàn)了硬度與彈性在同一物質(zhì)中的“兼容”,同時還能像塑料那樣擁有可塑性。
此前科學(xué)界主要通過將有機物與無機物混合在一起來嘗試折中兩種物質(zhì)的性能,在微觀尺度上有機物和無機物仍然是相對獨立的存在。而這次浙大團(tuán)隊首次在分子級別上實現(xiàn)有機化合物與無機離子化合物的結(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)隊將這種新物質(zhì)命名為“彈性陶瓷塑料”。北京時間6月8日,這項成果在線刊發(fā)在國際頂級期刊《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)姜凱副研究員的支持。
平平無奇的“黃紐扣”
編輯在現(xiàn)場看到,這個新物質(zhì)是一顆像紐扣一樣的黃色小塊體,表面上看平平無奇。就連課題組一開始也沒意識到這是一個新物質(zhì)。
彈性陶瓷塑料
當(dāng)然,這樣的新物質(zhì)不會憑空出現(xiàn),之前經(jīng)歷了相當(dāng)長的“孕育”過程。
在傳統(tǒng)的認(rèn)知中,無機化學(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)隊提出了“無機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,能不能用有機化學(xué)的辦法來做無機物呢?課題組進(jìn)行了大量的實驗。
“有機物靠共價鍵連接,無機離子化合物因離子鍵而結(jié)合,要在一個分子里面實現(xiàn)有機物和無機物的合一,這個媒介就很重要了?!碧祁?嫡f。
課題組將有機化學(xué)中“官能團(tuán)化反應(yīng)”這一合成理念融入到了無機合成化學(xué)中,設(shè)計了一個無機離子寡聚體的官能團(tuán)化反應(yīng),把有機功能分子引入到了“無機離子分子”中,實現(xiàn)了具有有機片段和無機離子片段的雜化分子合成。
“在篩選了很多化學(xué)反應(yīng)后,我們最終選擇了無機化學(xué)中經(jīng)典的酸堿反應(yīng)。這種方法可以簡單快速地連接堿性離子鹽與酸性的有機分子,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。
由這個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)有玄機的新結(jié)構(gòu)
這個雜化分子所形成的物質(zhì)結(jié)構(gòu),并不只是實現(xiàn)無機物有機物“手拉手”這么簡單。通過冷凍電鏡實驗做三維成像,課題組發(fā)現(xiàn)這是一個新的結(jié)構(gòu)。
在這個分子中,無機離子鍵網(wǎng)絡(luò)和有機共價鍵網(wǎng)絡(luò)交織穿插在一起,“你中有我,我中有你”。這個相互穿插的網(wǎng)絡(luò)就像一個可以伸縮的骨架,既有無機物的屬性又保留有機物的特點,所以兼具一定的硬度和彈性。在施加一定的外力時,無機骨架可以提供硬度和強度。在外力很大發(fā)生彈性形變時,整個骨架變形產(chǎn)生緩沖作用。在撤除外力后,有機骨架發(fā)揮回彈作用,使整個網(wǎng)絡(luò)又能恢復(fù)原樣。
離子-共價雙網(wǎng)絡(luò)的冷凍電鏡三維重構(gòu)圖、二維重構(gòu)圖與電鏡圖
“這種有機共價鍵網(wǎng)絡(luò)和無機離子鍵網(wǎng)絡(luò)相互穿插的結(jié)構(gòu)是以往沒有的,”唐??到榻B說,以往的有機物無機物融合,是兩者的簡單疊加,好比說,把無機物粉末倒入有機物的框架里,再攪拌均勻,如果一層層細(xì)分下去,到了分子級別,仍然是“你歸你,我歸我”,所以更準(zhǔn)確地說,只是兩者的混合,“我們這次實驗產(chǎn)生了過去沒有的全新分子,所以得到了全新的結(jié)構(gòu),打破了傳統(tǒng)有機化合物和無機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)是一門創(chuàng)造新物質(zhì)的學(xué)科。
浙大這項成果,簡而言之,就是科研人員通過拼接的含有有機物和無機物的分子單元,創(chuàng)造出了一個新的分子,從而構(gòu)成了新的物質(zhì)世界。
這個打破認(rèn)知的新物質(zhì),在分子層面上看是相互交織的有機共價和無機離子網(wǎng)絡(luò),其中有機物和無機物的化學(xué)比例大約各占一半,在宏觀材料上說就是兼具橡膠與陶瓷特性的復(fù)合塑料。
浙大科學(xué)家將這個新物質(zhì)的性能與代表性的陶瓷、橡膠、塑料、金屬作對比,發(fā)現(xiàn)它在硬度、回彈、強度、形變和可加工性等幾個指標(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,而且還有一個傳統(tǒng)塑料所沒有的特性:加熱后不會軟化。功能之強大,可謂是一個“五邊形”戰(zhàn)士。
彈性陶瓷塑料與其他材料的五項性能對比
唐??嫡f:“從新分子到新結(jié)構(gòu)再到新材料,我們打開了一個新世界。”
成果受到了論文審稿人和編輯的高度評價:“本文報道了一種全新的材料,具有陶瓷的強度和硬度,具有聚合物的變形性、柔性和彈性。這不僅會引起材料科學(xué)界的關(guān)注,也同樣會引起整個科學(xué)界的興趣,因為新材料總能打開新的可能性。”同期《自然》還配有專門的研究簡報。
談及下一步工作,唐??嫡f,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,同時也給未來科學(xué)研究留下了更多想象的空間。
項目獲得國家自然科學(xué)基金(22022511, 22275161),國家重點研發(fā)項目(2020YFA0710400),中央高?;究蒲袠I(yè)務(wù)費(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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