弹性陶瓷塑料：材料界的“五边形战士”

　　橡胶、陶瓷、塑料是三种性质不同的材料。如果把橡胶的高弹、陶瓷的坚硬、塑料的可塑性能结合起来，会形成一种什么样的新材料呢?这种看似天马行空的想法，如今却变成了现实——浙江大学化学系唐睿康教授、刘昭明研究员团队合作发明了一种新物质，实现了硬度与弹性在同一物质中的“兼容”，同时还能像塑料那样拥有良好的可加工性。研究团队将该材料“命名”为弹性陶瓷塑料。6月8日，该研究成果刊发在期刊《自然》上。

　　近日，笔者联系到唐睿康教授，对这一新材料的研发过程进行了探究。

　　刚柔并济的“五边形战士”

　　据唐睿康介绍，弹性陶瓷塑料看上去像一块坚硬透明的塑料，其基本结构单元是一种有机共价和无机离子的杂化分子。该材料因拥有类陶瓷的强度与硬度、类塑料的可塑性与循环性，兼具类橡胶的形变能力这五种迥异的性质，被誉为材料界的“五边形战士”。

　　该成果受到了审稿人的高度评价：“这是一种全新的材料，不仅会引起材料科学界的关注，也同样会引起整个科学界的兴趣。”

　　唐睿康表示，从化学分子的层面来看，这种新型的弹性陶瓷塑料是由一种名为有机—无机/共价—离子杂化分子所组成。这些分子可以在材料内部构建出共价网络和离子网络相互穿插的双网络结构。其中，离子网络充当陶瓷的角色，可使得材料坚硬、不形变；而共价网络的存在赋予材料弹力，不仅提供了缓冲，还能使得材料在受到压力过后恢复原状。杂化分子作为不同网络的链接点使它们能够相互协同，其中网络中的共价键和离子键具有可逆的操控性，赋予材料类塑料的反复加工性。

　　这种特殊的杂化结构还赋予了弹性陶瓷塑料阻燃和过滤紫外线的能力。研究表明，有机—无机体系在分子尺度的杂化能够赋予新材料新的性能，有助于未来发现更多的新材料。

　　用做塑料的方式合成无机材料

　　“尽管化学研究者们一直在推动着有机化学和无机化学的交叉融合，但在分子层面上能将传统的有机化合物与无机离子化合物结合却是一个挑战。”唐睿康解释说。以弹性陶瓷塑料为例，塑料是典型的高分子化合物，它的制备是基于共价键的链增长;碳酸钙作为离子化合物，是基于离子的静电堆积而形成的。由于化学键的不同，它们在分子层面的结合在过去是无法想象的。

　　早在2019年，唐睿康团队在材料制备过程中就跨越了这道高分子化学与无机化学的边界，提出“无机离子聚合与交联”新概念，实现了“用做塑料的方式合成无机材料”。在该研究中，他们获得一种有结构的无机离子团簇并将其命名为“无机离子寡聚体”。这种结构能够像高分子化学中的单体一样进行相互聚合与交联。而所获得的碳酸钙无机离子寡聚体也就是此次弹性陶瓷塑料研究工作中杂化分子的无机片段。

　　在此基础上，团队又开始寻找合成杂化分子的“另一半”。“课题组开展针对无机离子寡聚体的官能团化反应路线，将硫辛酸有机分子结合在无机碳酸钙离子化合物分子上，合成了全新的有机—无机/共价—离子的杂化分子。”唐睿康说。

　　为了证实硫辛酸与碳酸钙结合形成了杂化分子而不是简单的混合物，团队又进行更有挑战性的表征工作。“以往没有对此类新型杂化分子的检测方式，我们主动发展并建立新方法。在仪器专家和实验技术人员的帮助下，团队用质谱分析证实了杂化分子的存在。我们还在冷冻电镜下观察到材料内部中的有机、无机两个片段及其所构建的双网络结构。”唐睿康介绍。

　　工业化应用仍需努力

　　唐睿康表示，当一类新材料出现时，就有可能对人类生活以及未来科技发展产生深远的影响。当然，作为基础研究，最重要的是提供一种新概念、新方法、新策略。

　　“基础研究只是撬开了门缝，要想沿着全链条创新的道路走下去，还是需要技术转化研究和产业应用研究团队的跟进与努力。”唐睿康说，围绕国家战略展开基础研究是开辟新赛道的重要途径。基础研究成果保证了起跑线上的领先，但这对占据科研创新的制高点是不够的。

　　唐睿康也介绍了团队的其他基础研究方向，如仿生物矿化实现无机材料可塑制备、人造细胞器等一系列充满奇思妙想的基础研究。他表示，这些先进的研究方向，需要各领域研究者一起努力，将“点突破”变成“面突破”，进而构建出“体系突破”、造福于社会的创新生态。