“彈性陶瓷塑料”將多種材料優點集于一身

圖為“彈性陶瓷塑料”樣品。受訪者供圖

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陶瓷堅硬但易碎，塑料輕便但不耐高溫，橡膠柔韌但加工性差……能否將多種材料的優異性能集合于一款材料？6月27日，科技日報記者從浙江大學獲悉，該校化學系唐睿康教授、劉昭明研究員合作團隊，將有機化合物與無機離子化合物在分子尺度融合，創造出新材料“彈性陶瓷塑料”，該材料兼具硬度與彈性，同時又像塑料那樣擁有可塑性，還能被循環加工。相關研究論文近日發表于《自然》雜志。

在傳統的認知中，碳酸鈣等無機化合物和塑料、橡膠等有機高分子化合物的制備方法完全不同。但2019年，唐睿康團隊提出“無機離子寡聚體及其聚合反應”的新概念，將有機高分子化合物制備方法用于無機化合物的制備。

當時，科研人員以碳酸鈣為研究對象，發現一種叫三乙胺的有機小分子能將含有少量無機離子的寡聚體“封裝”，從而讓分子尺度的寡聚體像有機世界的高分子一樣聚合交聯，進而組裝成宏觀的塊體材料，有望像做塑料那樣制備碳酸鈣。

“微觀尺度下，有機物靠共價鍵連接，內部像鏈條串聯；無機離子化合物因離子鍵而結合，內部構造像顆粒堆在一起。”唐睿康說，要在一個分子里面實現有機物和無機物的合一，介質很重要。

1832年，德國化學家維勒和李比希提出“官能團”的概念。作為決定有機化合物的化學性質的原子或原子團，“官能團”是有機分子參與物理作用與化學反應的構件。

此次，聯合團隊設計了一個無機離子寡聚體的官能團化反應，將有機功能分子引入到“無機離子分子”中，合成了具有有機片段和無機離子片段的雜化分子，再將分子組裝得到共價鍵和離子鍵的互穿網絡結構，使材料兼具有機化合物和無機離子化合物的性質。

“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。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。”劉昭明說，再采用類似熱壓的工藝，就可以由雜化分子構建形成材料。以團隊制備的紐扣狀黃色小塊樣品為例，僅從實驗室階段來說，其制備成本低于常規的塑料制備成本。

“彈性陶瓷塑料”并不只是實現了無機物有機物“手拉手”這么簡單。通過冷凍電鏡對其進行三維成像，團隊發現它擁有新的結構。

“在這個雜化分子中，無機離子鍵網絡和有機共價鍵網絡交織穿插在一起，這種相互穿插的結構是以往沒有的。”唐睿康表示。

剛制出這一紐扣狀黃色小塊樣品時，團隊覺得其手感像一塊塑料。論文第一作者、浙江大學化學系博士生方威風說，團隊將“彈性陶瓷塑料”的性能與常規的陶瓷、橡膠、塑料、金屬作對比，發現它硬度、回彈、強度、形變和可加工性等幾個指標都相當優異，可謂是“五邊形戰士”，而且加熱后不會軟化。

談及這一新材料的應用，唐睿康表示，“彈性陶瓷塑料”具備多種材料的特性，使得它在諸多領域有了發揮空間。

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