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          浙大團隊創造出新物質,成果登上《自然》
          2023-06-19

          陶瓷和橡膠是我們生活中經常用到的兩種材料。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”,想要一個物質同時擁有兩種特性,似乎是天方夜譚。

          近日,浙江大學化學系唐??到淌?、劉昭明研究員合作團隊發明了一種新物質,將有機化合物與無機離子化合物在分子尺度融合在一起,完美地實現了硬度與彈性在同一物質中的“兼容”,同時還能像塑料那樣擁有可塑性。

          此前科學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。而這次浙大團隊首次在分子級別上實現有機化合物與無機離子化合物的結合,得到了一種性質完全不同于以往材料的新物質。

          團隊將這種新物質命名為“彈性陶瓷塑料”。北京時間6月8日,這項成果在線刊發在國際頂級期刊《自然》上。論文第一作者為化學系博士生方威風,共同通訊作者為唐??岛蛣⒄衙?。研究工作獲得浙江大學慕昭博士,博士生何彥、孔康任,華東師范大學姜凱副研究員的支持。

          團隊照片

          平平無奇的“黃紐扣”

          記者在現場看到,這個新物質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。

          當然,這樣的新物質不會憑空出現,之前經歷了相當長的“孕育”過程。

          在傳統的認知中,無機化學和高分子化學領域中材料的制備方法是完全不同的,但2019年,唐??祱F隊提出了“無機離子寡聚體及其聚合反應”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,能不能用有機化學的辦法來做無機物呢?課題組進行了大量的實驗。

          “有機物靠共價鍵連接,無機離子化合物因離子鍵而結合,要在一個分子里面實現有機物和無機物的合一,這個媒介就很重要了?!碧祁?嫡f。

          課題組將有機化學中“官能團化反應”這一合成理念融入到了無機合成化學中,設計了一個無機離子寡聚體的官能團化反應,把有機功能分子引入到了“無機離子分子”中,實現了具有有機片段和無機離子片段的雜化分子合成。

          “在篩選了很多化學反應后,我們最終選擇了無機化學中經典的酸堿反應。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,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”。

          內有玄機的新結構

          這個雜化分子所形成的物質結構,并不只是實現無機物有機物“手拉手”這么簡單。通過冷凍電鏡實驗做三維成像,課題組發現這是一個新的結構。

          在這個分子中,無機離子鍵網絡和有機共價鍵網絡交織穿插在一起,“你中有我,我中有你”。這個相互穿插的網絡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。在外力很大發生彈性形變時,整個骨架變形產生緩沖作用。在撤除外力后,有機骨架發揮回彈作用,使整個網絡又能恢復原樣。

          離子-共價雙網絡的冷凍電鏡三維重構圖、二維重構圖與電鏡圖

          “這種有機共價鍵網絡和無機離子鍵網絡相互穿插的結構是以往沒有的,”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,如果一層層細分下去,到了分子級別,仍然是“你歸你,我歸我”,所以更準確地說,只是兩者的混合,“我們這次實驗產生了過去沒有的全新分子,所以得到了全新的結構,打破了傳統有機化合物和無機離子化合物在分子尺度的隔閡?!?/p>

          全能的“五邊形戰士”

          化學是一門創造新物質的學科。

          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,創造出了一個新的分子,從而構成了新的物質世界。

          這個打破認知的新物質,在分子層面上看是相互交織的有機共價和無機離子網絡,其中有機物和無機物的化學比例大約各占一半,在宏觀材料上說就是兼具橡膠與陶瓷特性的復合塑料。

          浙大科學家將這個新物質的性能與代表性的陶瓷、橡膠、塑料、金屬作對比,發現它在硬度、回彈、強度、形變和可加工性等幾個指標上,都達到了高分,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:“從新分子到新結構再到新材料,我們打開了一個新世界?!?/p>

          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界的關注,也同樣會引起整個科學界的興趣,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,新分子新結構新材料,有望應用在從基礎化學到材料科學等諸多研究領域上,同時也給未來科學研究留下了更多想象的空間。

          項目獲得國家自然科學基金(22022511, 22275161),國家重點研發項目(2020YFA0710400),中央高?;究蒲袠I務費(226-2022-00022, 2021FZZX001-04)的資助。

          具有雙連續網絡的彈性陶瓷塑料概念圖

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