当前位置:首页 > 科普 > 列表 > 正文

浙大团队创造出新物质,成果登上《自然》
2023-06-19

陶瓷和橡胶是我们生活中经常用到的两种材料。在我们的印象中,陶瓷是硬邦邦、脆生生的,一旦手滑摔地上就“呯”的一声碎掉了。而橡胶,给大家的感觉是软软的、弹弹的,用力捏一下,它会凹进去,然后又还原成老样子。

硬度和弹性在自然界中是一对“矛盾体”,想要一个物质同时拥有两种特性,似乎是天方夜谭。

近日,浙江大学化学系唐睿康教授、刘昭明研究员合作团队发明了一种新物质,将有机化合物与无机离子化合物在分子尺度融合在一起,完美地实现了硬度与弹性在同一物质中的“兼容”,同时还能像塑料那样拥有可塑性。

此前科学界主要通过将有机物与无机物混合在一起来尝试折中两种物质的性能,在微观尺度上有机物和无机物仍然是相对独立的存在。而这次浙大团队首次在分子级别上实现有机化合物与无机离子化合物的结合,得到了一种性质完全不同于以往材料的新物质。

团队将这种新物质命名为“弹性陶瓷塑料”。北京时间6月8日,这项成果在线刊发在国际顶级期刊《自然》上。论文第一作者为化学系博士生方威风,共同通讯作者为唐睿康和刘昭明。研究工作获得浙江大学慕昭博士,博士生何彦、孔康任,华东师范大学姜凯副研究员的支持。

团队照片

平平无奇的“黄纽扣”

记者在现场看到,这个新物质是一颗像纽扣一样的黄色小块体,表面上看平平无奇。就连课题组一开始也没意识到这是一个新物质。

当然,这样的新物质不会凭空出现,之前经历了相当长的“孕育”过程。

在传统的认知中,无机化学和高分子化学领域中材料的制备方法是完全不同的,但2019年,唐睿康团队提出了“无机离子寡聚体及其聚合反应”的新概念,打破了两者界限。

既然可以像做塑料那样制备碳酸钙,那么,能不能用有机化学的办法来做无机物呢?课题组进行了大量的实验。

“有机物靠共价键连接,无机离子化合物因离子键而结合,要在一个分子里面实现有机物和无机物的合一,这个媒介就很重要了。”唐睿康说。

课题组将有机化学中“官能团化反应”这一合成理念融入到了无机合成化学中,设计了一个无机离子寡聚体的官能团化反应,把有机功能分子引入到了“无机离子分子”中,实现了具有有机片段和无机离子片段的杂化分子合成。

“在筛选了很多化学反应后,我们最终选择了无机化学中经典的酸碱反应。这种方法可以简单快速地连接碱性离子盐与酸性的有机分子,从而构成杂化分子。我们以碳酸钙寡聚体和硫辛酸分子为例,通过离子片段的聚合和硫辛酸中二硫键的聚合反应,就可以从杂化分子‘自下而上’地形成宏观材料。”刘昭明说。

由这个杂化分子聚合而成的宏观材料就是我们最终看到的“黄色小纽扣”。

内有玄机的新结构

这个杂化分子所形成的物质结构,并不只是实现无机物有机物“手拉手”这么简单。通过冷冻电镜实验做三维成像,课题组发现这是一个新的结构。

在这个分子中,无机离子键网络和有机共价键网络交织穿插在一起,“你中有我,我中有你”。这个相互穿插的网络就像一个可以伸缩的骨架,既有无机物的属性又保留有机物的特点,所以兼具一定的硬度和弹性。在施加一定的外力时,无机骨架可以提供硬度和强度。在外力很大发生弹性形变时,整个骨架变形产生缓冲作用。在撤除外力后,有机骨架发挥回弹作用,使整个网络又能恢复原样。

离子-共价双网络的冷冻电镜三维重构图、二维重构图与电镜图

“这种有机共价键网络和无机离子键网络相互穿插的结构是以往没有的,”唐睿康介绍说,以往的有机物无机物融合,是两者的简单叠加,好比说,把无机物粉末倒入有机物的框架里,再搅拌均匀,如果一层层细分下去,到了分子级别,仍然是“你归你,我归我”,所以更准确地说,只是两者的混合,“我们这次实验产生了过去没有的全新分子,所以得到了全新的结构,打破了传统有机化合物和无机离子化合物在分子尺度的隔阂。”

全能的“五边形战士”

化学是一门创造新物质的学科。

浙大这项成果,简而言之,就是科研人员通过拼接的含有有机物和无机物的分子单元,创造出了一个新的分子,从而构成了新的物质世界。

这个打破认知的新物质,在分子层面上看是相互交织的有机共价和无机离子网络,其中有机物和无机物的化学比例大约各占一半,在宏观材料上说就是兼具橡胶与陶瓷特性的复合塑料。

浙大科学家将这个新物质的性能与代表性的陶瓷、橡胶、塑料、金属作对比,发现它在硬度、回弹、强度、形变和可加工性等几个指标上,都达到了高分,既有大理石的硬度,又有橡胶的弹性,还有塑料的可塑性,而且还有一个传统塑料所没有的特性:加热后不会软化。功能之强大,可谓是一个“五边形”战士。

弹性陶瓷塑料与其他材料的五项性能对比

唐睿康说:“从新分子到新结构再到新材料,我们打开了一个新世界。”

成果受到了论文审稿人和编辑的高度评价:“本文报道了一种全新的材料,具有陶瓷的强度和硬度,具有聚合物的变形性、柔性和弹性。这不仅会引起材料科学界的关注,也同样会引起整个科学界的兴趣,因为新材料总能打开新的可能性。”同期《自然》还配有专门的研究简报。

谈及下一步工作,唐睿康说,新分子新结构新材料,有望应用在从基础化学到材料科学等诸多研究领域上,同时也给未来科学研究留下了更多想象的空间。

项目获得国家自然科学基金(22022511, 22275161),国家重点研发项目(2020YFA0710400),中央高校基本科研业务费(226-2022-00022, 2021FZZX001-04)的资助。

具有双连续网络的弹性陶瓷塑料概念图