“弹性陶瓷塑料”将多种材料优点集于一身

图为“弹性陶瓷塑料”样品。受访者供图

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。

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。