【顆粒在線訊】研究人員通過普通加熱的方式，實現對水的調控。當一個碳酸鈣分子對應0.2—1.1個水分子的時候，再施加0.6—3.0GPa的壓力，就能實現無定形碳酸鈣顆粒的融合，把已有的碳酸鈣粉末材料變成大塊材料，好比把小石頭融合成一塊大石頭。

在很多無機物的修補工作中，例如文物保護、牙齒修復等，普遍應用有機物修補材料。相比彈性大、可塑性強的有機材料，碳酸鈣等無機化合物硬且脆、制備成塊體材料難度較大。

科技日報記者7月19日從浙江大學獲悉，該校化學系唐?？到淌谂c劉昭明研究員合作研究發(fā)現，可以通過調控結構水含量和外部壓力，將無定形碳酸鈣顆粒融合為具有連續(xù)結構的透明塊體材料，這為制備無機塊體材料提供了重要的制備策略。

參照生物礦化 “小石頭”成功合體

“用有機物修補文物、牙齒等，即使看上去和原有的無機化合物并無差別，但由于內在相融性不好，還是會出現裂縫、易損等現象?！碧祁？到榻B，要實現“神形兼?zhèn)洹?，根本途徑是用無機材料修補無機物。

無機塊體材料通常是由無機顆粒燒結而成。比如陶瓷是在1000攝氏度左右的高溫下燒制成的，但顆粒之間仍然有空隙，內部結構并未融合，最終會影響材料的機械性能。

2019年，唐?？祱F隊發(fā)布了一項“無機離子聚合”成果，實現了實驗室內厘米尺寸的碳酸鈣晶體材料的快速制備，并且可以按照模具形狀進行制備。

在該項研究過程中，團隊成員注意到——無定形碳酸鈣顆粒在壓制過程中，顆粒邊界漸漸消失，最后完全融為一體。

越來越多的研究發(fā)現，生物體可以通過無定形前驅體顆粒融合而產生具有連續(xù)結構的礦物骨骼。例如，正是深海高壓環(huán)境和無定形礦物，為深海龍魚具有連續(xù)結構牙齒的形成提供了條件。

本次研究中，論文第一作者、浙江大學化學系博士生慕昭與孔康任通過實驗發(fā)現，如果水分子能保持在一個合適的量，就能在碳酸鈣內部形成動態(tài)水通道，促進碳酸根離子與鈣離子的重新“站隊”，加速混合，最終實現無定形顆粒的融合。

實驗人員通過普通加熱的方式，實現對水的調控。當一個碳酸鈣分子對應0.2—1.1個水分子的時候，再施加0.6—3.0GPa的壓力，就能實現無定形碳酸鈣顆粒的融合。團隊由此成功構建了具有連續(xù)結構的碳酸鈣塊體材料。

“2019年那項研究是從零開始合成碳酸鈣晶體大塊材料。本次研究的是如何把已有的碳酸鈣粉末材料變成大塊材料，好比把小石頭融合成一塊大石頭，二者殊途同歸?！碧祁？当硎?。

巧用以柔克剛 探索新制備策略

為了驗證結果，團隊把金納米顆粒標記在碳酸鈣顆粒表面，擠壓后通過高分辨透射電鏡觀察，發(fā)現碳酸鈣顆粒間沒有界面或間隙，表里如一地實現了完全融合。

“石頭是剛性的，水是柔性的，當石頭內部含有適量的結構水，在壓力下就會像橡皮泥一樣，在受擠壓時發(fā)生融合現象?！眲⒄衙鹘忉尩?。

據了解，按照研究團隊的制備方式做出來的碳酸鈣塊狀材料具有連續(xù)結構，其光學透過性和機械性能俱佳，硬度為2.739GPa，彈性模量為49.672GPa，性能優(yōu)于大多數水泥基塊體材料，與方解石單晶的性能相近。

“而且這種制備方式不需要高溫，所以制備起來也比較快速方便?！笨卓等握f，如果未來能把所需壓力降下來，就將更加貼近實際應用。

研究團隊進一步實驗發(fā)現，此類融合現象適用于多種無機離子化合物。“除了水分子以外，其他離子也可以作為添加劑加進去，添加劑會影響碳酸鈣的流動性和融合性?！笨卓等握f。

唐?？当硎?，這項研究展示了無定形相在材料加工中的優(yōu)勢，賦予人工塊體材料新的制備模式，有望應用在生物、醫(yī)學、材料等領域。

論文評審專家認為：“這項新穎且富創(chuàng)新性的研究對設計新型陶瓷及陶瓷/有機復合材料具有潛在的引領意義，對提升材料力學性能有重要價值，尤其是針對熱敏感材料?！?/p>

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