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)系唐睿康教授、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”
記者在現(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，唐睿康團(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?！眲⒄衙髡f。
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。
“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，”唐睿康介紹說，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
唐睿康說：“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?！?/span>
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?！蓖凇蹲匀弧愤€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），中央高校基本科研業(yè)務(wù)費（226-2022-00022, 2021FZZX001-04）的資助。
（文 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶）
