橡膠、陶瓷、塑料是三種性質(zhì)不同的材料。如果把橡膠的高彈、陶瓷的堅(jiān)硬、塑料的可塑性能結(jié)合起來(lái)，會(huì)形成一種什么樣的新材料呢?這種看似天馬行空的想法，如今卻變成了現(xiàn)實(shí)——浙江大學(xué)化學(xué)系唐睿康教授、劉昭明研究員團(tuán)隊(duì)合作發(fā)明了一種新物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了硬度與彈性在同一物質(zhì)中的“兼容”，同時(shí)還能像塑料那樣擁有良好的可加工性。研究團(tuán)隊(duì)將該材料“命名”為彈性陶瓷塑料。6月8日，該研究成果刊發(fā)在期刊《自然》上。

近日，筆者聯(lián)系到唐睿康教授，對(duì)這一新材料的研發(fā)過(guò)程進(jìn)行了探究。

剛?cè)岵?jì)的“五邊形戰(zhàn)士”

據(jù)唐睿康介紹，彈性陶瓷塑料看上去像一塊堅(jiān)硬透明的塑料，其基本結(jié)構(gòu)單元是一種有機(jī)共價(jià)和無(wú)機(jī)離子的雜化分子。該材料因擁有類陶瓷的強(qiáng)度與硬度、類塑料的可塑性與循環(huán)性，兼具類橡膠的形變能力這五種迥異的性質(zhì)，被譽(yù)為材料界的“五邊形戰(zhàn)士”。

該成果受到了審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是一種全新的材料，不僅會(huì)引起材料科學(xué)界的關(guān)注，也同樣會(huì)引起整個(gè)科學(xué)界的興趣。”

唐睿康表示，從化學(xué)分子的層面來(lái)看，這種新型的彈性陶瓷塑料是由一種名為有機(jī)—無(wú)機(jī)/共價(jià)—離子雜化分子所組成。這些分子可以在材料內(nèi)部構(gòu)建出共價(jià)網(wǎng)絡(luò)和離子網(wǎng)絡(luò)相互穿插的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其中，離子網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)陶瓷的角色，可使得材料堅(jiān)硬、不形變；而共價(jià)網(wǎng)絡(luò)的存在賦予材料彈力，不僅提供了緩沖，還能使得材料在受到壓力過(guò)后恢復(fù)原狀。雜化分子作為不同網(wǎng)絡(luò)的鏈接點(diǎn)使它們能夠相互協(xié)同，其中網(wǎng)絡(luò)中的共價(jià)鍵和離子鍵具有可逆的操控性，賦予材料類塑料的反復(fù)加工性。

這種特殊的雜化結(jié)構(gòu)還賦予了彈性陶瓷塑料阻燃和過(guò)濾紫外線的能力。研究表明，有機(jī)—無(wú)機(jī)體系在分子尺度的雜化能夠賦予新材料新的性能，有助于未來(lái)發(fā)現(xiàn)更多的新材料。

用做塑料的方式合成無(wú)機(jī)材料

“盡管化學(xué)研究者們一直在推動(dòng)著有機(jī)化學(xué)和無(wú)機(jī)化學(xué)的交叉融合，但在分子層面上能將傳統(tǒng)的有機(jī)化合物與無(wú)機(jī)離子化合物結(jié)合卻是一個(gè)挑戰(zhàn)。”唐睿康解釋說(shuō)。以彈性陶瓷塑料為例，塑料是典型的高分子化合物，它的制備是基于共價(jià)鍵的鏈增長(zhǎng);碳酸鈣作為離子化合物，是基于離子的靜電堆積而形成的。由于化學(xué)鍵的不同，它們?cè)诜肿訉用娴慕Y(jié)合在過(guò)去是無(wú)法想象的。

早在2019年，唐睿康團(tuán)隊(duì)在材料制備過(guò)程中就跨越了這道高分子化學(xué)與無(wú)機(jī)化學(xué)的邊界，提出“無(wú)機(jī)離子聚合與交聯(lián)”新概念，實(shí)現(xiàn)了“用做塑料的方式合成無(wú)機(jī)材料”。在該研究中，他們獲得一種有結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)離子團(tuán)簇并將其命名為“無(wú)機(jī)離子寡聚體”。這種結(jié)構(gòu)能夠像高分子化學(xué)中的單體一樣進(jìn)行相互聚合與交聯(lián)。而所獲得的碳酸鈣無(wú)機(jī)離子寡聚體也就是此次彈性陶瓷塑料研究工作中雜化分子的無(wú)機(jī)片段。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始尋找合成雜化分子的“另一半”。“課題組開(kāi)展針對(duì)無(wú)機(jī)離子寡聚體的官能團(tuán)化反應(yīng)路線，將硫辛酸有機(jī)分子結(jié)合在無(wú)機(jī)碳酸鈣離子化合物分子上，合成了全新的有機(jī)—無(wú)機(jī)/共價(jià)—離子的雜化分子。”唐睿康說(shuō)。

為了證實(shí)硫辛酸與碳酸鈣結(jié)合形成了雜化分子而不是簡(jiǎn)單的混合物，團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行更有挑戰(zhàn)性的表征工作。“以往沒(méi)有對(duì)此類新型雜化分子的檢測(cè)方式，我們主動(dòng)發(fā)展并建立新方法。在儀器專家和實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的幫助下，團(tuán)隊(duì)用質(zhì)譜分析證實(shí)了雜化分子的存在。我們還在冷凍電鏡下觀察到材料內(nèi)部中的有機(jī)、無(wú)機(jī)兩個(gè)片段及其所構(gòu)建的雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。”唐睿康介紹。

工業(yè)化應(yīng)用仍需努力

唐睿康表示，當(dāng)一類新材料出現(xiàn)時(shí)，就有可能對(duì)人類生活以及未來(lái)科技發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)然，作為基礎(chǔ)研究，最重要的是提供一種新概念、新方法、新策略。

“基礎(chǔ)研究只是撬開(kāi)了門(mén)縫，要想沿著全鏈條創(chuàng)新的道路走下去，還是需要技術(shù)轉(zhuǎn)化研究和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究團(tuán)隊(duì)的跟進(jìn)與努力。”唐睿康說(shuō)，圍繞國(guó)家戰(zhàn)略展開(kāi)基礎(chǔ)研究是開(kāi)辟新賽道的重要途徑。基礎(chǔ)研究成果保證了起跑線上的領(lǐng)先，但這對(duì)占據(jù)科研創(chuàng)新的制高點(diǎn)是不夠的。

唐睿康也介紹了團(tuán)隊(duì)的其他基礎(chǔ)研究方向，如仿生物礦化實(shí)現(xiàn)無(wú)機(jī)材料可塑制備、人造細(xì)胞器等一系列充滿奇思妙想的基礎(chǔ)研究。他表示，這些先進(jìn)的研究方向，需要各領(lǐng)域研究者一起努力，將“點(diǎn)突破”變成“面突破”，進(jìn)而構(gòu)建出“體系突破”、造福于社會(huì)的創(chuàng)新生態(tài)。（中國(guó)化工報(bào) 楊藝）