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科学家实现像做塑料那样制备碳酸钙

  发布日期:   2019-11-21 13:56:38    

碳酸钙晶体是每个自然博物馆必不可少的展品,它们的形成经历了数千万年的地质积累。如果用目前的人工方法生产碳酸钙,只能得到微米级的白色粉末。浙江大学化学系教授唐·康瑞团队的最新成果是,可以在实验室快速获得厘米大小的大块碳酸钙晶体。此外,这些碳酸钙晶体的制备过程是高度塑性的,并且可以根据模具的形状如塑料生长成各种形状。

这种新方法制备的材料具有结构连续、致密完整的特点,在3d打印、材料修复等领域具有广阔的应用前景。这项研究发表在10月17日的《自然》杂志上。这篇论文的第一作者是刘兆铭博士,记者是唐·康瑞。

“以前,无机化学和高分子化学领域的材料制备方法完全不同,但我们的成就可以说打破了两者之间的界限。”唐·康瑞解释说,该研究将传统的有机聚合方法应用于传统无机材料的制备,提出了“无机离子低聚物及其聚合反应”的新概念,颠覆了传统学科。

无机物质,如合成碳酸钙,可以通过高分子化学应用于无机制备吗?结果表明,由于这些聚合物与碳酸钙离子的强烈相互作用,无法制备无机材料。

唐·康瑞的研究小组决定找到另一种方法。刘兆铭首次提出能否找到一种作用力较弱但功能稳定可控的封闭剂作为无机离子反应的“终止剂”。他想到三乙胺,它挥发性强,毒性小。然而,三乙胺和碳酸钙离子的结合需要中等氢键,这在实验中常用的水溶液中不容易形成。刘兆铭用碳酸钙乙醇溶液代替碳酸钙水溶液,并加入大量三乙胺分子。

三乙胺分子通过氢键比其他碳酸根离子更快地聚集到某一高浓度的碳酸钙离子上,抢占了它们继续聚集或生长的有利位置,阻断了它与外界其他碳酸钙的连接。

下一步是如何再次除去三乙胺分子,实现低聚物的聚合和交联。因为三乙胺是挥发性的,低聚物和低聚物是直接聚合和连接的,聚合生长可以以与塑料相似的方式进行,只需在低聚物浓缩后干燥即可。

“实验成功的关键在于合适的封闭剂和溶剂。我们用理论计算的结果来指导实验,不久我们就找到了理想的目标。”刘兆铭。

由于无机离子低聚物的可控聚合具有仿生生长的功能,不会留下“疤痕”,不易脱落,能够真正达到“老有所修”的效果,在修复领域也有很大的潜力。由于磷酸钙是牙齿和骨骼的主要成分,我们的应用研究首先集中于生物矿化组织的再生这也解释了为什么釉质再生可以通过磷酸钙低聚物来实现。

《自然》的专家评论意见称:“他们将无定形碳酸钙转化为单晶碳酸钙的能力在过去很难用传统方法实现,显示单晶的修复功能可以用于许多目的。这项研究结合了经典无机化学和高分子化学的概念,可能会为材料合成打开新的篇章。”

这项研究得到了国家杰出青年自然科学基金、青年科学基金和中国博士后科学基金的支持。(崔雪芹)

相关论文信息:https://www.nature.com/articles/s41586-019-1645-x

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