■本報記者 張雙虎

如果把石器時代的製陶看作燒結技術的肇始，那麽(me) 無機塊體(ti) 材料製備已有了上萬(wan) 年曆史。曆經萬(wan) 年輪回，今天，無機塊體(ti) 材料製備技術已經從(cong) “火攻”（高溫燒製成型）發展到“水淹”（水輔壓力成型）。

6月25日，《科學》在線發表了浙江大學化學係研究員劉昭明和教授唐睿康團隊的最新成果。研究人員實現了無定形碳酸鈣顆粒的融合，為(wei) 製備無機塊體(ti) 材料提供了新方法。

以“仿生”讓燒結“升級”

“這項研究揭示了壓力如何驅動無定形顆粒在材料內(nei) 部構建動態水通道，進而融合為(wei) 一個(ge) 完整的塊體(ti) 材料。”唐睿康告訴《中國科學報》，“通俗點說，就是把多塊石頭融合成一塊完整的石頭。”

無機塊體(ti) 材料通常是由無機顆粒通過燒結而製備得到。比方說，人們(men) 建造房屋的磚塊、盛水或食物的各種陶瓷器具（碗、盤、罐等），就是通過陶土揉製後燒結得到。

“燒結讓陶土顆粒表麵發生熔融，進而實現表麵融合。”劉昭明對《中國科學報》說，“然而，目前的燒結過程往往導致顆粒不完全融合，損害材料結構的連續性，影響最終材料的機械性能和光學透明性。”

另一方麵，生物礦化相關(guan) 研究發現，生物體(ti) 可以通過無定形前驅體(ti) 顆粒融合，生產(chan) 具有連續結構的礦物“骨骼”（就像骨骼的形成過程）。受此啟發，研究人員通過調控無定形碳酸鈣顆粒內(nei) 部結構水含量和外部壓力，實現了無定形碳酸鈣顆粒的融合，並將其用於(yu) 無機塊體(ti) 材料的製備。

“這是對生物礦化策略的仿生。”唐睿康說，“我們(men) 揭示了材料內(nei) 部結構水在無定形礦物融合中的重要作用，並借助外界壓力人工實現了這一過程。”

水含量是關(guan) 鍵

“該研究揭示了結構水可以讓原本剛性的無機材料在壓力下具有一定的可塑性，而材料中的結構水含量在這個(ge) 調控中起到關(guan) 鍵作用：含量太低顆粒無法融合，並展現出與(yu) 剛性顆粒相似的行為(wei) ；含量太高將導致無定形碳酸鈣顆粒的結晶，同樣會(hui) 阻礙顆粒融合。”該論文共同第一作者、化學係博士生慕昭對《中國科學報》說，“無定形碳酸鈣內(nei) 部具有合適的結構水含量，是確保顆粒在壓力下融合的關(guan) 鍵。”

研究人員發現，在含水量和壓力協同調控下，無定形碳酸鈣內(nei) 部會(hui) 形成合適的動態水通道，水通道的存在促進了物質傳(chuan) 輸，導致無定形顆粒的融合。但水含量不足不能形成水通道，而太多的水將會(hui) 形成尺寸過大的水團簇，導致無定形碳酸鈣顆粒結晶。通過使結構水含量處於(yu) 一個(ge) 適當的範圍，研究人員成功構建出具有連續結構的碳酸鈣塊體(ti) 材料。

“從(cong) 原理上說，動態水通道融合可以消除材料內(nei) 部的缺陷和界麵，在提升材料結構均勻性和強度上，比傳(chuan) 統燒結法更具優(you) 勢。”唐睿康說，“但這要針對不同材料、不同實際情況來判斷。該方法更適用於(yu) 傳(chuan) 統燒結不能製備的無機塊體(ti) 材料（尤其是對熱敏感的生物材料、礦物材料），是傳(chuan) 統燒結以外的加工手段。”

“由於(yu) 得到的塊體(ti) 材料具有連續結構，使得其具有優(you) 異的光學透過性和機械性能。這些性能優(you) 於(yu) 大多數的水泥基塊體(ti) 材料，甚至與(yu) 方解石單晶的性能接近。”該論文共同第一作者、化學係博士生孔康任告訴《中國科學報》。

唐睿康解釋說，用肉眼看，這種方法製備的材料的光學透明性與(yu) 玻璃相似。通常，材料內(nei) 部具有連續結構是無機材料光學透明的必要條件，傳(chuan) 統燒結方法難以使無機離子化合物顆粒完全融合，因而不能實現結構連續性和均一性，導致光學不透明。

有望製備“無機膠水”

目前，該團隊在實驗室中可製備出多種無機離子化合物，如碳酸鈣、磷酸鈣、碳酸鎂等。這些化合物整體(ti) 材料的體(ti) 積都能夠達到立方厘米級別。

“製備物品大小取決(jue) 於(yu) 所用壓力模具的大小。”唐睿康說，“如果有更大模具，理論上大小是沒有限製的。”

研究人員表示，製備塊體(ti) 材料的設備僅(jin) 需壓機，隻是在製備過程中需要對無定形顆粒的結構水進行調控。

“動態水通道的發現，展示了提高固態材料流動性的一種新方法，提出固體(ti) 材料融合新的認知，有望使固態無機材料在常溫下也具有可塑性質，可實現溫和環境下無機塊體(ti) 材料的製備。”唐睿康說，“結合我們(men) 2019年在《自然》上發表的‘無機離子聚合’技術，未來有望發展出‘無機膠水’，用於(yu) 牙齒、骨骼、文物的修複，以及高品質無機材料/陶瓷製備等。”

相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abg1915