中國粉體網訊 通過所謂的自下而上的合成，將一組分子構件轉化為塊狀材料是材料合理設計的一個關鍵過程。
含有有機和無機成分的混合材料在許多領域都有不可或缺的作用。然而，由于普遍缺乏同時含有有機和無機離子段的雜化分子，這種材料很少通過自下而上的合成產生。有機化合物中的共價鍵和無機化合物中的離子鍵的不同行為阻礙了它們結合成一個有機-無機、共價-離子的分子。因此，自下而上地生產這種混合材料一直受到限制。
近期，浙江大學化學系唐睿康教授與劉昭明研究員課題組研制了一種以有機-無機分子作為自下而上合成混合材料的前體。
作者使用一種叫做硫辛酸（TA）的有機分子和一種由碳酸鈣低聚物（CCOs）組成的無機化合物來產生一種TA-CCO混合分子，其分子式為TA2Ca（CaCO3）2。這些分子的聚合在塊狀材料中產生了連續的相互穿透分子尺度共價域和離子域的網絡。令人震驚的是，這種材料結合了矛盾的機械性能。例如，它既顯示了硬度（在負載下對表面變形的抵抗力），又顯示了彈性，即在負載下通過彈性變形吸收能量的傾向，并在負載移除時釋放該能量。它還顯示了強度，即承受應變而不失效或永久變形的能力。此外，網絡中的離子和共價鍵的可逆結合行為使該材料具有類似塑料的可塑性，同時保持其熱穩定性。以這種方式將類似于陶瓷、橡膠和塑料的特性結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。
相關成果以“Organic–inorganic covalent–ionic molecules for elastic ceramic plastic”為題發表在最新一期《Nature》上。第一作者為Weifeng Fang。
圖1TA-CCO雜化分子
作者使用熱壓（120°C，110MPa）來啟動TA-CCO雜化分子的交聯和聚合過程，由此產生的透明聚（TA-CCO）塊，該聚（TA-CCO）塊體從宏觀到微觀尺度的連續結構，元素C、O、Ca和S均勻分散在聚（TA-CCO）塊體中。這種均勻的結構表明，由于有機和無機部分之間的靜電相互作用，在材料形成過程中避免了有機相或無機相的單獨成核。
圖2共價-離子雙連續網絡
由于共價-離子雙連續網絡的存在，聚（TA-CCO）表現出矛盾的力學：陶瓷般的硬度和強度以及橡膠的變形性和彈性。其強度與大多數陶瓷相當，遠高于橡膠和商業聚合物。. 聚（TA-CCO）將陶瓷的高強度與橡膠的高回彈性和斷裂應變相結合，形成了一種“彈性陶瓷材料”。
圖3（TA-CCO）塊體的機械性能
聚（TA-CO）在熱壓下的結構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離子雙連續網絡，即使經過10次循環，其硬度和模量仍保持不變。此外，其獨特的可逆鍵防止了傳統熱塑性塑料在再加工過程中通常表現出的大量機械退化。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），而無機網絡在高溫下可以支持體結構并提供機械強度。它展示了一種將材料的可再加工性和熱穩定性結合起來的方法。
圖4可再加工聚乙烯（TA-CCO）塊體的結構可逆性
未來方向
作者的發現開啟了三個主要的未來方向。首先，無機離子低聚物的進一步功能化可以使其他有機無機分子的生產成為可能，并促進無機和有機合成化學的融合。第二，這些分子的自下而上的組裝能夠精確地調整混合材料，因此可以用來生產其他有趣的結構（如具有確定的無機和有機層的結構，或含有無機和有機段的長分子鏈），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-無機互穿域-網絡結構為在一種材料中結合矛盾的特性提供了基礎，具有前所未有的機械輪廓的材料可以在新的應用中發揮作用。
（中國粉體網編輯整理/昧光）
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