6月25日，science以“Pressure-driven fusion of amorphous particle sinto integrated monoliths”（非晶態(tài)粒子的壓力驅(qū)動(dòng)聚變）為題發(fā)表了浙江大學(xué)化學(xué)系唐睿康教授團(tuán)隊(duì)與劉昭明研究員團(tuán)隊(duì)合作最新研究發(fā)現(xiàn)——可以通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)定形碳酸鈣顆粒的融合，形成透明整料。論文地址：DOI:10.1126/science.abg1915

相比彈性大、可塑性強(qiáng)的有機(jī)材料，如碳酸鈣一類的無(wú)機(jī)化合物硬且脆、制備成塊體材料難度較大。無(wú)定形碳酸鈣就是如此，它對(duì)加熱也很敏感，將起始納米顆粒壓實(shí)太多往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)晶；再比如陶瓷是在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(nèi)部結(jié)構(gòu)并未融合，最終會(huì)影響材料的機(jī)械性能。

2019年，唐睿康團(tuán)隊(duì)曾發(fā)布一項(xiàng)成果——“無(wú)機(jī)離子聚合”，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)厘米尺寸的碳酸鈣晶體材料的快速制備，并且可以像做塑料一樣按照模具形狀進(jìn)行制備。該項(xiàng)研究過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員注意到——無(wú)定形碳酸鈣顆粒在壓制過(guò)程中，顆粒邊界漸漸消失，最后完全融合為一體。

本次研究中，論文第一作者、浙大化學(xué)系博士生慕昭與孔康任通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果水分子能保持在一個(gè)合適的量（一個(gè)碳酸鈣分子對(duì)應(yīng)0.2—1.1個(gè)水分子），再施加0.6-3.0GPa的壓力，就能在碳酸鈣內(nèi)部形成動(dòng)態(tài)水通道，促進(jìn)碳酸根離子與鈣離子的重新“站隊(duì)”，加速混合，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)定形顆粒的融合，成功構(gòu)建了具有連續(xù)結(jié)構(gòu)的碳酸鈣塊體材料。據(jù)介紹，按照研究團(tuán)隊(duì)的制備方式做出來(lái)的碳酸鈣塊狀材料具有連續(xù)結(jié)構(gòu)，其光學(xué)透過(guò)性和機(jī)械性能俱佳，硬度為2.739GPa，彈性模量為49.672GPa，其性能優(yōu)于大多數(shù)的水泥基塊體材料，與方解石單晶的性能相近。

左上：水團(tuán)簇的示意圖，水團(tuán)簇內(nèi)部有由水分子所形成的水通道（深紫色）；右上：塊體材料機(jī)械性能的比較，插圖是未融合與完全融合的顆粒形成的塊體材料的光學(xué)透過(guò)性比較；

下圖：隨著壓力增大，顆粒逐漸從不融合向完全融合轉(zhuǎn)變的SEM圖片。

“2019年那項(xiàng)研究是從零開(kāi)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。”唐睿康表示。“石頭是剛性的，水是柔性的，當(dāng)石頭內(nèi)部含有適量的結(jié)構(gòu)水，在壓力下這種石頭就像橡皮泥，受擠壓時(shí)發(fā)生融合現(xiàn)象。”劉昭明解釋道。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此類融合現(xiàn)象適用于多種無(wú)機(jī)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(jìn)去，添加劑會(huì)影響碳酸鈣的流動(dòng)性和融合性。這就充分展示了提高固態(tài)材料流動(dòng)性的潛在方法，為固體材料的融合提出了新的認(rèn)知，有望使固態(tài)無(wú)機(jī)材料在常溫下也可以具有類似液體的性質(zhì)。”

論文評(píng)審專家認(rèn)為：“這項(xiàng)新穎且富創(chuàng)新性的研究對(duì)設(shè)計(jì)新型陶瓷及陶瓷/有機(jī)復(fù)合材料具有潛在的引領(lǐng)意義，對(duì)提升材料力學(xué)性能有重要價(jià)值，尤其是針對(duì)熱敏感材料。”

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