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浙大学者最新发现:碳酸钙变“形”记

发布时间:2020-04-19 17:09:29浏览次数:

将一杯浓盐水持续加热蒸发,过一会儿就会陆续出现晶莹的小颗粒——这是我们熟悉的无机物结晶过程。浙江大学化学系唐睿康教授团队在尝试 “暂停” 这类结晶过程时, “截获” 到一种特别的最初产物——无机离子寡聚体。 神奇的是,寡聚体能像高分子材料一样交联聚合起来,进而能形成连续的、大块的无机材料。这意味着, 无机材料有望像塑料制品一样整体成型,并变化出各种复杂造型。

相关论文 Crosslinking ionic oligomers as conformable precursors to calcium carbonate 于10月17日刊登在 Nature 上,第一作者是刘昭明博士。 研究团队还尝试用这一方法成功修复了碳酸钙单晶、海胆刺和人体牙釉质等无机材料。 学界认为,这一方法创造了 “无机离子聚合” 这类新型的反应体系,跨越了无机化学与高分子化学的分界,预示着无机材料将以崭新的结构与性能走进人类生活。

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结晶过程的“暂停键”

从自然界恢弘奇幻的石灰石溶洞,到让人恨之入骨的肾结石,溶液中的成核结晶现象无处不在,也包含着关于晶体生长的共同秘密:溶质从离子状态到成核结晶,中间状态是怎样的?多年来,尽管有科学家提出过一些假说与理论,但始终没有直接观测证据。 “我们想办法把 ‘中间状态’ 稳定住,再来研究它。”三年前的一个下午,唐睿康和刘昭明讨论起这个问题,但两人的思路不一样。

唐睿康想用高分子稳定。高分子的体量大,可以把成核前的物质像棉被一样包裹起来,实现 “定格”。但他承认,加进去的高分子很难再去除,那么最终得到的是一类有机分子与无机分子的复合物,得不到纯无机物。而刘昭明则想用小分子。 “小分子的个头小,怎么 ‘定’ 得住呢?何其难也!” 唐睿康一开始并不看好刘昭明的想法。

几天以后,刘昭明跑来告诉导师, “暂停键” 找到了——一种叫三乙胺的小分子非常好用。 刘昭明说,三乙胺能与碳酸根离子通过氢键发挥“封端”作用;同时又很容被去除,克服高分子包裹法的硬伤。

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发现“无机离子寡聚体”

三乙胺的加入,让“平铺直叙”的结晶过程变成了一场“赛跑”:溶液中的碳酸根离子既能与钙结合,又能与三乙胺结合,那么谁的速度更快?最终结果是,几个碳酸根离子刚和几个钙离子形成一个“短链”,三乙胺就上来“封”在碳酸根离子的一端,让它无法再与下一个钙离子结合——于是, 溶液中充满了被三乙胺“封”住的碳酸钙“短链”,科学家将其称为“寡聚体”。

综合质谱、X射线散射和电子显微技术,科学家终于得以看到“无机离子寡聚体”的真容:3-4个碳酸钙形成一个寡聚体,长度在1.2纳米左右——这是人们第一次发现无机离子寡聚体的存在。

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