作者:崔雪芹 来源:中国科学报 发布时间:2021/6/25 17:30:49
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破镜重圆?科学家找到无机块体材料制备新途径

 

科研团队(卢绍庆摄)

 压力诱导碳酸钙融合的概念图(高裕华绘图)

破镜真的能严丝合缝地“重圆”吗?

6月25日,《科学》刊登浙江大学化学系教授唐睿康与研究员刘昭明等合作成果。他们研究发现,可以通过调控无定形碳酸钙颗粒内部的结构水含量和外部压力来实现无定形碳酸钙颗粒的融合,这种利用材料自身结构特性促进传质的策略克服了传统烧结的不足,为制备无机块体材料提供了新的方法,尤其是提供了重要的制备策略。按照这个方法,破镜就真能表里如一地“重圆”了。

碳酸钙作为一种无机化合物,它也是工业上的常用材料。

如果用现有的人工方法来制造碳酸钙,往往只能得到微米大小的白色粉末。但在实际的生产生活中,我们需要的一般都是“大块头”材料。如何把粉末状材料“变成”块体材料,是提升无机材料性能的一道坎。

如何做到“形似又神似”?根本的途径还是要用无机材料来修补无机物。这里要解决的一个关键问题就是无机块体材料的制备。

以往,无机块体材料通常是由无机颗粒通过烧结而制备得到的,其实并没有完全融合,颗粒之间仍然有空隙,内在结构仍然是“你是你,我是我”,最终影响了材料的机械性能。而且,很多对温度敏感的生物矿物和生物材料还不能用高温烧结的方法来制备。

突破口在哪里?科学家试图从大自然中寻找答案。既然越来越多的研究发现生物体可以通过无定形前驱体颗粒融合而生产具有连续结构的矿物骨骼,那么是否可以通过这种方式来仿生地解决传统方法中粉末变块体的难题,实现温和环境下无机块体材料的制备呢?

其实,无定形碳酸钙颗粒在融合过程中,水分子一直扮演着重要的角色。

如果水分子能保持在一个合适的量,就能在碳酸钙内部形成动态水通道,从而促进内部物质传输过程,最终导致无定形颗粒的融合。

而水的调控可以通过普通加热的方式实现,团队成功构建了具有连续结构的碳酸钙块体材料。

为了验证结果,团队把金纳米颗粒标记在碳酸钙颗粒表面,挤压后通过高分辨透射电镜观察,发现碳酸钙颗粒间没有界面或间隙,确实是表里如一地完全融合了。“石头是刚性的,水是柔性的,当石头内部含有合适量的结构水,在压力下这种石头就像橡皮泥,挤压时发生融合现象,达到‘你中有我,我中有你’的境界。”刘昭明说。

唐睿康说,这项工作帮助我们更好地认识并模仿生物矿化过程。例如深海中顶级掠食者之一——龙鱼透明牙齿的成因:深海高压环境和无定形矿物都暗示着这种具有连续结构牙齿的形成条件。

同时,研究中动态水通道的发现提出了一种新的可能的物质存在方式:类液体。在我们的一般认识中,固体就是固体,液体就是液体,两者界限分明。但是未来,固体和液体之间可能还有一个中间态。

“我们进一步实验发现,融合现象适用于多种无机离子化合物。且除了水分子以外,其他离子也可以作为添加剂加进去,添加剂会影响碳酸钙的流动性和融合性。这就充分展示了提高固态材料流动性的潜在方法,为固体材料的融合提出了新的认知,有望使固态无机材料在常温下也可以具有类似液体的性质。”这项研究展示了无定形相在材料加工中的优势,赋予人工块体材料新的制备模式,有望应用在生物、医学、材料等领域。

论文评审专家认为:“这项新颖且富创新性的研究对设计新型陶瓷及陶瓷/有机复合材料具有潜在的引领意义,对提升材料力学性能有重要价值,尤其是针对热敏感材料。”

唐睿康说,这项研究的成功得益于团队在生物矿化领域的长期耕耘和无机离子聚合方向上的新认知,特别是面对前沿问题大家能集思广益想办法,“基础研究的创新是从零开始‘生长’,而不是在别的根上开花结果,所以特别需要自由探索的土壤和氛围。”

相关论文信息:https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1466

 
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