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浙大這個(gè)團(tuán)隊(duì)正刊輪著發(fā)，又發(fā)現(xiàn)“新材料”，登上Nature！

時(shí)間：2023-06-08 來源： 瀏覽：

浙大這個(gè)團(tuán)隊(duì)正刊輪著發(fā)，又發(fā)現(xiàn)“新材料”，登上Nature！

原創(chuàng) 高分子科學(xué)前沿 高分子科學(xué)前沿
高分子科學(xué)前沿

Polymer-science

「高分子科學(xué)前沿」關(guān)注高分子、材料、化學(xué)領(lǐng)域全球最新科研進(jìn)展！堅(jiān)持“有趣、有料、前沿”，入選“2018年度十大明星學(xué)術(shù)公眾號”。關(guān)注我，為高分子行業(yè)點(diǎn)贊助力！投稿、薦稿、合作請聯(lián)系郵箱：editor@polysci.cn

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浙大這個(gè)團(tuán)隊(duì)正刊輪著發(fā),善于發(fā)現(xiàn)新材料！
2019年10月16日， 浙江大學(xué)化學(xué)系 唐?？到淌?/strong> 和 劉昭明研究員 團(tuán)隊(duì) 提出“無機(jī)離子聚合”， 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室里厘米尺寸的碳酸鈣晶體材料的快速制備，并且這些碳酸鈣的制備過程有很強(qiáng)的可塑性，可以像做塑料一樣按照模具形狀長成各式模樣 ！ 這項(xiàng)研究以“Crosslinking ionic oligomers as conformable precursors to calcium carbonate”為題，發(fā)表在國際頂級雜志《Nature》上。Nature的專家評審意見認(rèn)為：“ 這項(xiàng)研究將經(jīng)典無機(jī)化學(xué)和高分子化學(xué)的理念結(jié)合，將有可能為材料合成翻開新的篇章 。”（相關(guān)報(bào)道： 突破 ！浙江大學(xué)《Nature》：像做塑料一樣，制造連續(xù)的無機(jī)材料 ）
2021年6月25日， 浙江大學(xué)化學(xué)系 唐睿康教授 與 劉昭明研究員 合作最新研究發(fā)現(xiàn)， 可以通過調(diào)控?zé)o定形碳酸鈣顆粒內(nèi)部的結(jié)構(gòu)水含量和外部壓力來實(shí)現(xiàn)無定形碳酸鈣顆粒的融合，這種利用材料自身結(jié)構(gòu)特性促進(jìn)傳質(zhì)的策略克服了傳統(tǒng)燒結(jié)的不足，為制備無機(jī)塊體材料提供了新的方法，尤其是提供了重要的制備策略 。按照這個(gè)方法，破鏡就真能表里如一地“重圓”了。相關(guān)成果以“Pressure-driven fusion of amorphous particles into integrated monoliths”為題，發(fā)表在《Science》上。（相關(guān)報(bào)道： 浙大唐睿康/劉昭明《Science》：壓力之下，石頭“聚合”了 ）
一類新材料在浙大問世！集陶瓷、橡膠和塑料于一體
通過所謂的自下而上的合成，將一組分子構(gòu)件轉(zhuǎn)化為塊狀材料是材料合理設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵過程。含有有機(jī)和無機(jī)成分的混合材料在許多領(lǐng)域都有不可或缺的作用。然而，由于普遍缺乏同時(shí)含有有機(jī)和無機(jī)離子段的雜化分子，這種材料很少通過自下而上的合成產(chǎn)生。有機(jī)化合物中的共價(jià)鍵和無機(jī)化合物中的離子鍵的不同行為阻礙了它們結(jié)合成一個(gè)有機(jī)-無機(jī)、共價(jià)-離子的分子。因此，自下而上地生產(chǎn)這種混合材料一直受到限制。
為了解決這個(gè)問題， 浙江大學(xué)化學(xué)系 唐?？到淌?/span> 與 劉昭明研究員 課題組 旨在生產(chǎn) 有機(jī)-無機(jī)分子作為自下而上合成混合材料的前體 。
在有機(jī)化學(xué)中，官能化反應(yīng)將一個(gè)官能團(tuán)或分子段加入到一個(gè)有機(jī)分子中。然而，功能化在無機(jī)化學(xué)中很少被提及，因?yàn)殡x子化合物通常以固體顆?；蜃杂呻x子混合物的形式存在，而不是作為穩(wěn)定的分子存在。因此，一直以來人們都認(rèn)為不可能將 "無機(jī)離子分子 "功能化，以創(chuàng)造有機(jī)-無機(jī)混合分子。2019年，唐睿康教授與劉昭明研究員報(bào)道了無機(jī)離子低聚物的生產(chǎn)，為制造分子大小的無機(jī)離子化合物創(chuàng)造了可能。在目前的研究中，作者確立了如何通過酸堿反應(yīng)使無機(jī)離子低聚物功能化，從而產(chǎn)生了第一個(gè)有機(jī)-無機(jī)混合分子。
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在本文中， 作者使用一種叫做硫辛酸（TA）的有機(jī)分子和一種由碳酸鈣低聚物（CCOs）組成的無機(jī)化合物來產(chǎn)生一種TA-CCO混合分子，其分子式為TA 2 Ca（CaCO 3 ） 2 （圖1）。這些分子的聚合在塊狀材料中產(chǎn)生了連續(xù)的相互穿透分子尺度共價(jià)域和離子域的網(wǎng)絡(luò) 。令人震驚的是， 這種材料結(jié)合了矛盾的機(jī)械性能 。 例如 ， 它既顯示了硬度（在負(fù)載下對表面變形的抵抗力），又顯示了彈性 ，即在負(fù)載下通過彈性變形吸收能量的傾向，并在負(fù)載移除時(shí)釋放該能量。 它還顯示了強(qiáng)度 ， 即承受應(yīng)變而不失效或永久變形的能力。此外，網(wǎng)絡(luò)中的離子和共價(jià)鍵的可逆結(jié)合行為使該材料具有類似塑料的可塑性，同時(shí)保持其熱穩(wěn)定性。以這種方式將 類似于陶瓷、橡膠和塑料的特性結(jié)合在一起的材料并不屬于目前的任何材料分類；因此作者將其命名為 彈性陶瓷塑料 。相關(guān)成果以“Organic–inorganic covalent–ionic molecules for elastic ceramic plastic”為題發(fā)表在最新一期《Nature》上。第一作者為 Weifeng Fang 。
圖1：TA-CCO雜化分子
作者使用熱壓（120°C，110MPa）來啟動TA-CCO雜化分子的交聯(lián)和聚合過程，由此產(chǎn)生的透明聚（TA-CCO）塊，該聚（TA-CCO）塊體從宏觀到微觀尺度的連續(xù)結(jié)構(gòu)，元素C、O、Ca和S均勻分散在聚（TA-CCO）塊體中。這種均勻的結(jié)構(gòu)表明，由于有機(jī)和無機(jī)部分之間的靜電相互作用，在材料形成過程中避免了有機(jī)相或無機(jī)相的單獨(dú)成核。
圖2 共價(jià)-離子雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)
由于共價(jià)-離子雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)的存在，聚（TA-CCO）表現(xiàn)出矛盾的力學(xué)：陶瓷般的硬度和強(qiáng)度以及橡膠的變形性和彈性。其強(qiáng)度與大多數(shù)陶瓷相當(dāng)，遠(yuǎn)高于橡膠和商業(yè)聚合物。. 聚（TA-CCO）將陶瓷的高強(qiáng)度與橡膠的高回彈性和斷裂應(yīng)變相結(jié)合，形成了一種“ 彈性陶瓷材料 ”。
圖3 聚（TA-CCO）塊體的機(jī)械性能
聚(TA-CO)在熱壓下的結(jié)構(gòu)可逆性確保了它可以作為可再加工塑料使用。與熱塑性塑料一樣，聚(TA-CO)可以被破壞成粉末，并通過熱壓重新塑造成一種新的散裝材料。由于在再加工過程中保留了共價(jià)離子雙連續(xù)網(wǎng)絡(luò)，即使經(jīng)過10次循環(huán)，其硬度和模量仍保持不變。此外，其獨(dú)特的可逆鍵防止了傳統(tǒng)熱塑性塑料在再加工過程中通常表現(xiàn)出的大量機(jī)械退化。在加熱過程中，簡單的加熱只破壞了聚（TA-CO）的S-S鍵（圖4b,c），而無機(jī)網(wǎng)絡(luò)在高溫下可以支持體結(jié)構(gòu)并提供機(jī)械強(qiáng)度。它展示了一種將材料的可再加工性和熱穩(wěn)定性結(jié)合起來的方法。
圖4可再加工聚乙烯（TA-CCO）塊體的結(jié)構(gòu)可逆性
未來方向
作者的發(fā)現(xiàn)開啟了三個(gè)主要的未來方向。首先，無機(jī)離子低聚物的進(jìn)一步功能化可以使其他有機(jī)無機(jī)分子的生產(chǎn)成為可能，并促進(jìn)無機(jī)和有機(jī)合成化學(xué)的融合。第二，這些分子的自下而上的組裝能夠精確地調(diào)整混合材料，因此可以用來生產(chǎn)其他有趣的結(jié)構(gòu)（如具有確定的無機(jī)和有機(jī)層的結(jié)構(gòu)，或含有無機(jī)和有機(jī)段的長分子鏈），具有不同的成分，并且具有分子精度。第三，彈性陶瓷塑料的有機(jī)-無機(jī)互穿域-網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為在一種材料中結(jié)合矛盾的特性提供了基礎(chǔ)，具有前所未有的機(jī)械輪廓的材料可以在新的應(yīng)用中發(fā)揮作用。
作者簡介
唐睿康 ，男，浙江大學(xué)化學(xué)系教授（求是特聘）、中國青年科技獎(jiǎng)獲得者、國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、國家萬人計(jì)劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。1991-1995年就讀南京大學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)強(qiáng)化部、獲學(xué)士學(xué)位；1995-1998年為南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生、獲博士學(xué)位；1998-2001年在紐約州立大學(xué)布法羅分校從事博士后研究；2001-2005年任紐約州立大學(xué)布法羅分?；瘜W(xué)系研究助理教授；2005年2月到浙江大學(xué)化學(xué)系工作至今，2021年1月起擔(dān)任浙江大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處處長。2006年入選教育部長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授，2011年獲得中國青年科技獎(jiǎng)，2016年獲得國家杰出青年科學(xué)基金，2018年入選國家萬人計(jì)劃創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。是浙江大學(xué)求是高等研究院、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、附屬邵逸夫醫(yī)院浙江省骨骼肌肉退變與再生修復(fù)轉(zhuǎn)化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員。圍繞生物礦化開展多學(xué)科交叉研究，內(nèi)容包括：材料合成、生物材料、仿生修復(fù)以及材料調(diào)控生物等，涉及化學(xué)、材料、生物和醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目及國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目等
劉昭明 ，浙江大學(xué)化學(xué)系第一類“百人計(jì)劃”研究員，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者。2009.9-2013.6 浙江大學(xué)化學(xué)專業(yè)，獲得理學(xué)學(xué)士學(xué)位；2013.9-2017.6 浙江大學(xué)化學(xué)系博士研究生，獲得理學(xué)博士學(xué)位；2015.10-2016.5 作為訪問學(xué)者在美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory）研究學(xué)習(xí)；2017.7-至今 在浙江大學(xué)化學(xué)系工作。
圍繞晶體生長機(jī)理、功能材料合成與應(yīng)用開展研究。在無機(jī)離子寡聚體及其聚合交聯(lián)方面取得了原創(chuàng)性突破，為無機(jī)材料合成提出“無機(jī)離子聚合”全新策略。并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)生物硬組織，包括人牙釉質(zhì)的再生，在仿生材料制備與生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值。以第一作者或者通訊作者身份在Nature, PNAS, Sci. Adv.,JACS, Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Funct. Mater.等期刊上發(fā)表多篇論文。曾在2018 Gordon Research Seminar on biomineralization，The 7th Asian Conference on Crystal Growth and Crystal Technology等國際會議中做邀請報(bào)告。作為Adv. Mater., Cryst. Growth Des., Acta Biomater.等期刊的審稿人，國家自然科學(xué)基金，國家重點(diǎn)研發(fā)子課題，中國博士后特別資助等項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人。

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來源：高分子科學(xué)前沿
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