图为“弹性陶瓷塑料”样品。受访者供图
◎洪恒飞 吴雅兰 柯溢能 本报记者 江 耘
陶瓷坚硬但易碎,塑料轻便但不耐高温,橡胶柔韧但加工性差……能否将多种材料的优异性能集合于一款材料?6月27日,科技日报记者从浙江大学获悉,该校化学系唐睿康教授、刘昭明研究员合作团队,将有机化合物与无机离子化合物在分子尺度融合,创造出新材料“弹性陶瓷塑料”,该材料兼具硬度与弹性,同时又像塑料那样拥有可塑性,还能被循环加工。相关研究论文近日发表于《自然》杂志。
(资料图片仅供参考)
在传统的认知中,碳酸钙等无机化合物和塑料、橡胶等有机高分子化合物的制备方法完全不同。但2019年,唐睿康团队提出“无机离子寡聚体及其聚合反应”的新概念,将有机高分子化合物制备方法用于无机化合物的制备。
当时,科研人员以碳酸钙为研究对象,发现一种叫三乙胺的有机小分子能将含有少量无机离子的寡聚体“封装”,从而让分子尺度的寡聚体像有机世界的高分子一样聚合交联,进而组装成宏观的块体材料,有望像做塑料那样制备碳酸钙。
“微观尺度下,有机物靠共价键连接,内部像链条串联;无机离子化合物因离子键而结合,内部构造像颗粒堆在一起。”唐睿康说,要在一个分子里面实现有机物和无机物的合一,介质很重要。
1832年,德国化学家维勒和李比希提出“官能团”的概念。作为决定有机化合物的化学性质的原子或原子团,“官能团”是有机分子参与物理作用与化学反应的构件。
此次,联合团队设计了一个无机离子寡聚体的官能团化反应,将有机功能分子引入到“无机离子分子”中,合成了具有有机片段和无机离子片段的杂化分子,再将分子组装得到共价键和离子键的互穿网络结构,使材料兼具有机化合物和无机离子化合物的性质。
“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。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。”刘昭明说,再采用类似热压的工艺,就可以由杂化分子构建形成材料。以团队制备的纽扣状黄色小块样品为例,仅从实验室阶段来说,其制备成本低于常规的塑料制备成本。
“弹性陶瓷塑料”并不只是实现了无机物有机物“手拉手”这么简单。通过冷冻电镜对其进行三维成像,团队发现它拥有新的结构。
“在这个杂化分子中,无机离子键网络和有机共价键网络交织穿插在一起,这种相互穿插的结构是以往没有的。”唐睿康表示。
刚制出这一纽扣状黄色小块样品时,团队觉得其手感像一块塑料。论文第一作者、浙江大学化学系博士生方威风说,团队将“弹性陶瓷塑料”的性能与常规的陶瓷、橡胶、塑料、金属作对比,发现它硬度、回弹、强度、形变和可加工性等几个指标都相当优异,可谓是“五边形战士”,而且加热后不会软化。
谈及这一新材料的应用,唐睿康表示,“弹性陶瓷塑料”具备多种材料的特性,使得它在诸多领域有了发挥空间。(江耘)