拒絕白色污染讓“石頭”成為可“塑”之材

洪恒飛 周煒 江耘

用80%以上的磷酸鈣礦物和有機高分子制成的復合礦物，整體表現(xiàn)出類似塑料的柔韌性，可以進行拉伸或者彎曲。這種復合礦物可作為傳統(tǒng)塑料的替代品，且用后還能回歸自然，參與地質循環(huán)。

塑料憑借柔韌、可塑、輕巧、廉價等特性，為人類生活帶來了諸多便利，但又因不可降解的缺陷引發(fā)白色污染，威脅自然環(huán)境。近年來，越來越多的科研人員試圖研發(fā)新型材料，替代傳統(tǒng)的石油基塑料。大自然中普遍存在的礦物竟被他們視為“可塑之材”。

近日，國際期刊《先進材料》刊登了浙江大學化學系研究員劉昭明團隊的研究成果——用無機離子聚合的方法構建出具有周期性缺陷結構的復合礦物。這種含有80%以上磷酸鈣礦物和不到20%高分子物質的“石頭”，展現(xiàn)出了和高分子塑料類似的柔韌性和近似的力學性能，且硬度和耐火性能更高。這種取材于大自然的新材料，用過后還能回歸自然，參與地質循環(huán)。

改變自身脆性 礦物材料有望替代石油基塑料

人們日常使用的塑料主要源于石油，可石油基的塑料原本不存在于自然界，不具備可降解性；而現(xiàn)已應用的可降解塑料，其降解條件并不簡單。

2021年9月，國家發(fā)改委、生態(tài)環(huán)境部聯(lián)合印發(fā)《“十四五”塑料污染治理行動方案》，提出科學穩(wěn)妥推廣塑料替代產品，比如加大可降解塑料關鍵核心技術攻關和成果轉化，不斷提升產品質量和性能，降低應用成本。

“從化學或材料學的角度看，實現(xiàn)塑料降解的關鍵，是要研究有機共價鍵斷裂的方法，或者設計易于斷裂的共價鍵?！眲⒄衙鹘榻B，有科學家提出用生物基塑料替代傳統(tǒng)的石油基塑料，例如用聚乳酸來生產塑料。此外，用自然環(huán)境中存在的物質替代塑料，也是一個較好的解決方案。

研究團隊注意到，地質礦物就是環(huán)境的一部分，并能參與到地質循環(huán)之中，如果能將這些礦物變成類似塑料的材料，就能避免塑料污染，并解決循環(huán)的問題，且礦石成本低廉，適合推廣普及。

材料的柔韌性或者脆性很大程度上反映了材料形變能力的大小。礦物硬而脆難以塑形，要想替代塑料，必須先改變自身的脆性。

礦物材料一般內部是高度交聯(lián)的離子或者共價網絡。劉昭明說，可以想象這樣一個很硬的三維網絡結構，如果要移動其中的一個支點，需要整個網絡結構都有變化。相比之下，像熱塑性塑料那樣，其內部組成主要是鏈狀高分子，就像一堆纏繞排列的線，線本身及線之間都可以變動，整個結構中的支點都可以相對自由地運動。這種微觀結構的差異導致了材料性質的不同。

礦石化剛為柔 性狀功能與塑料大同小異

此次研究中，研究團隊旨在讓礦物材料的內部更像“鏈”而不是傳統(tǒng)的“網”，再利用這些結構可變的礦物組成復合礦物，從而設計出基于礦物的塑料替代材料。

貝殼、骨骼、牙齒給了研究團隊很大的啟發(fā)?！斑@些天然生物礦化材料的主要成分是無機礦物和少量的有機大分子和高分子。正是這少量的大分子和高分子調控著無機礦物的尺寸、形貌等?！眲⒄衙髡f，這啟發(fā)他們去探索相似的調控手段，實現(xiàn)對無機離子聚合的調控。

研究團隊選用了聚乙烯醇（PVA）和海藻酸（SA）這兩種高分子，將兩者加入到磷酸鈣離子寡聚體凝膠中，形成了一種有機—無機分子尺度的復合礦物。據介紹，這兩種高分子從化學官能團上而言，與骨頭中的膠原有一定相似性。

“這種復合礦物80%以上是無機磷酸鈣，剩下的近20%為有機高分子聚乙烯醇和海藻酸?！眲⒄衙鞅硎?，這些無機納米纖維通過有機物黏接，形成了宏觀尺度的塊體材料，即為復合礦物。

透射電鏡圖像顯示，研究團隊得到的無機磷酸鈣納米纖維和常規(guī)合成中得到的羥基磷灰石有著不同的結構：原本羥基磷灰石中的鈣離子是周期性排列的，而在團隊制備的復合礦物樣品中，鈣離子會有周期性的缺失。

劉昭明解釋，正是由于鈣離子的周期性缺失，讓原本穩(wěn)定、剛性的無機離子網絡變?yōu)轭愃朴?至4條“無機離子鏈”平行排列的結構，且結構可變。這樣的結構降低了磷酸鈣內部的交聯(lián)密度，離子之間的距離可以相對更容易地拉長或壓縮，從而使無機結構具有一定的可彎曲性。

經實驗測試，這一復合礦物拉伸強度在20兆帕左右，彈性模量在600兆帕左右，整體表現(xiàn)出類似塑料的柔韌性，性能與傳統(tǒng)塑料類似，可以進行拉伸或者彎曲。此外，復合礦物由于無機物的含量高，硬度也比一般的塑料高，應用中不太容易形成劃痕。

通過實驗檢驗 復合礦物對環(huán)境基本友好

現(xiàn)如今，除了可降解塑料外，紙制品、竹木制品等塑料替代品，一定程度上可減緩“白色污染”，但在防水性、柔韌性、防火性等方面，卻未能完全替代塑料制品，因此還有待新的替代品出現(xiàn)，填補缺陷。

2019年，劉昭明研究員團隊曾在《自然》雜志發(fā)表“無機離子聚合”技術，成功制備無機離子寡聚體，實現(xiàn)像做塑料那樣制備宏觀的無機礦物材料，為此次復合礦物的研究打下了基礎。

由于大片水域遭塑料傾倒、人體內發(fā)現(xiàn)微塑料或動物誤食塑料致死等新聞常見諸報端。對此，研究團隊做了一些模擬復合礦物自然界被風化、被浸泡、被動物吞噬等過程的實驗。

實驗的大致結論是，復合礦物在水中長時間浸泡（3個月以上）后，其中的聚乙烯醇和海藻酸可以被溶解，它們對環(huán)境友好，不會造成污染，剩下的沉淀是結晶的羥基磷灰石，與地質中的礦物羥基磷灰石無異。

劉昭明表示，復合礦物在海水浸泡或風化作用下，最終會轉變?yōu)榈刭|礦物，回歸自然。此外，在pH為4的酸性環(huán)境中，復合礦物中的無機物質會溶解。因此如果這種材料被動物誤食，理論上是可以被緩慢降解吸收的，不太可能會產生堵塞野生動物消化系統(tǒng)的問題。

此外，研究團隊發(fā)現(xiàn)，相比一般的塑料在火焰中會被點燃并熔化，復合礦物燃燒時無明顯變化，燃燒后會變成磷酸三鈣一類的結晶礦物，從而失去韌性。

據介紹，研究團隊將圍繞降低復合礦物制備成本等方面展開進一步研究?！安牧现袩o機物含量達到80%已經是很大的突破，但是剩下接近20%的有機高分子使復合礦物不能變成真正的礦物。”劉昭明說，團隊還希望能揭示“周期性缺陷結構”磷酸鈣的形成機理，并將復合礦物中的有機高分子完全去除，讓人類對無機物的認識、合成與結構控制能更上一層樓。

（文章來源《科技日報》，圖片來源于視覺中國）