【48812】无人之路制出新生代陶瓷

  李建功辅导学生用高倍电镜观测得到的纳米刚玉颗粒尺度及形状。 兰州大学 供图

  “我”归于资料宗族的一分子，比塑料健康，比木头润滑，比金属耐腐蚀、抗氧化、耐高温；我在人们的日子中无处不在，我便是现代社会生产日子最常用到的三大资料之一——陶瓷。

  氧化铝陶瓷是咱们宗族中归纳功能最好、价格最低、最常用的一种。阿尔法氧化铝，也叫刚玉，是大块氧化铝热力学上最安稳的一种。

  正如人无完人，“我”也有自己的缺点，你们口中的“碰瓷儿”“瓷娃娃”，不都是在说我软弱易碎、耐性缺乏吗？

  不过你们或许吐槽不了太久了，“我”传闻兰州大学物理科学与技能学院李建功教授团队用20年时刻，现已研制出制备耐性氧化铝陶瓷的质料——刚玉纳米颗粒，该项作用在2020年5月29日世界尖端学术期刊Science宣布。

  未来，无论是坦克、飞机发动机、机车床切削刀具，仍是你的一颗牙齿、肿瘤医治，都或许会用到我的新生代——刚玉纳米颗粒。

  2019年10月，李建功在Science上看到一篇催化及资料研讨范畴闻名科学家费尔迪·舒特（FerdiSchüth）教授团队的论文。该论文报导，此团队研制成功比外表积140㎡/g、均匀颗粒尺度13纳米的刚玉纳米颗粒；并声称至今尚无人制备出比外表积高于100㎡/g的刚玉纳米颗粒。而纳米陶瓷颗粒范畴的一致是：比外表积越大、颗粒尺度越小，催化功能越好，细密化得到的陶瓷功能也越好。

  李建功有点疑惑，自己的团队已在2015至2018年先后研制出尺度小于5纳米、比外表积161m2/g至253㎡/g的刚玉纳米颗粒。要不要否定一位高比外表积催化资料范畴威望“大神”的研讨定论？李建功从上一年10月犹疑到本年1月，目睹Science关于学术论文三个月谈论期的时限逐渐的挨近，他总算下定决心，抱着对科学担任的情绪，用自己团队的作用否定了舒特团队的定论。

  2020年5月29日，李建功团队的谈论文章在Science宣布，报导该团队先后开发的三种高效制备办法，制备的刚玉纳米颗粒比外表积均高于100㎡/g，也高于舒特团队报导的140㎡/g。该谈论还指出舒特的资料其实是30—200纳米的硬聚会体，而非13纳米的纳米颗粒，并剖析了其颗粒粗大但比外表积较高的原因。

  这是李建功团队第2次对Science刊登的内容建议应战，关于刚玉纳米颗粒研讨，他的故事还要从23年前讲起。

  1997年，李建功无意间看到Science宣布的普林斯顿大学Navrotsky团队的一篇论文，上面写道：阿尔法氧化铝（刚玉），当比外表积高于100㎡/g，或颗粒尺度小于15纳米时，成为热力学非安稳相，这成为了刚玉纳米颗粒制备的瓶颈和“魔咒”，许多人测验多年都无法打破。

  “热力学上不安稳的东西几乎是无法做的”，这个定论让许多从事这样的范畴的科研工作者先后抛弃。但李建功具有一种逆向思想，“Science否定了的范畴肯定是很难打破的，通常人不会挑选，这对我来说便是一个无人竞赛的好机会，我不需要和别人比速度。更重要的是，假如开宣布刚玉纳米颗粒，这件事自身就十分有价值。哪怕最终我失利了，失利自身也是一种作用。”

  要想得到15纳米以下的更小的刚玉纳米颗粒，有人或许会说，那直接损坏就好啊，这有什么难的？

  但你不知道的是，当刚玉纳米颗粒尺度小于15纳米时，每个颗粒因为外表能过高，就变成了一个个活泼的“熊孩子”，在一同“抱团儿”。它们“亲密无间”，怎样拽也拽不开，专业术语称之为烧结或硬聚会。科学家们怎样“拉扯”它们也“扯”不开，得不到涣散的颗粒，也就不能用来制作功能优异的氧化铝陶瓷。

  “2003—2008年，咱们才逐渐有了思路，是经过第二相包覆来下降刚玉外表能，或许供给足够能量让刚玉纳米颗粒在非平衡条件下构成。”李建功口中的“第二相包覆下降外表能”指的是，让刚玉纳米颗粒构成时被另一相包围着，这样刚玉纳米颗粒的自在外表就变成了与另一相的界面，挑选正真合适的第二相，就可使这个界面能低于刚玉的外表能。

  “就好像疫情期间的居家阻隔。”如把外表能很高的15纳米以下的刚玉纳米颗粒比作“熊孩子”，疫情期间把这些爱扎堆的“熊孩子”阻隔在家，那么它们不就抱不了团儿了吗？可是用什么来充任阻隔相呢？这是第一个问题。

  正如在河水的冲击下会产生巨细不一的石块、鹅卵石和砂砾，在试验室中，磨制刚玉纳米颗粒的行星式球磨机是经过硬球的碰击，把刚玉损坏成纳米级的颗粒。在球磨机的作用下，搜集起来的刚玉纳米陶瓷颗粒的尺度巨细会差异很大。当它们混在一同，怎样把巨细附近的颗粒别离搜集起来？这是第二个问题。

  翻开这篇李建功团队在Science上宣布的文章，作者一栏并排写着：李建功、蒲三旭、曹文斌、李璐、郭瑞云，后四人别离是李建功2010—2013级的博士生或硕士生。开始，虽然有思路，乃至思路正确，但作用却不尽善尽美。

  2013年6月的一天，蒲三旭顺手将离心分离后看似明澈无物的离心清液倒入用过的废盐酸烧杯中，本来明澈的废液忽然变成乳白色，没想到这一次意外竟成为了团队科研打破的严重转折点。

  蒲三旭兴奋地说：“本来李老师的思路是对的，前面许多师兄师姐没有离心得到细微纳米颗粒，是因为颗粒悬浮在液体中，因为外表有双电层相互排挤，很安稳。参加盐酸，颗粒外表的双电层被损坏，这些细微的纳米颗粒就都沉积出来了。已然浓盐酸能够让巨细不同的一切纳米颗粒沉降，假如用不同浓度的盐酸，是否能让不一样的尺度的纳米颗粒沉降呢？”蒲三旭和李璐公然经过试验证明了这一猜测，这种办法被称为“分级聚沉法”。

  2013年前后，团队这条路不只走通了，在李建功的辅导下，四位兰大资料科学与工程专业的研讨生还探究出几条制备细微刚玉纳米颗粒的途径。

  曹文斌、郭瑞云开发的是共沉积—煅烧—挑选腐蚀法，经过液相化学反应，产生共沉积，制备刚玉纳米颗粒。“用氧化铁做阻隔相。”2012年，其时还在读研二的曹文斌翻阅很多文献后提出自己的主意。

  2016年，李璐又开宣布了直接球磨法，以粗大的微米级刚玉粉体为质料，直接高能球磨，再经酸洗，得到8纳米的刚玉纳米颗粒，经验证这也是最简捷高效的一种办法。

  “十几年如一日地在黑私自前行，有时候连曙光都看不见。我是茫然，学生是随时想抛弃，有时候我也不清楚自己是怎样坚持下来的。”李建功回想道。

  现在，团队正在以超细刚玉纳米颗粒为质料，与国表里协作，经过超高压热压技能，朝着细密度99%以上和均匀晶粒尺度15纳米以下的细晶氧化铝纳米晶陶瓷建议冲击。

  刚玉纳米颗粒的成功制备，标明热力学不安稳的纳米颗粒资料是可制备的，为往后在催化、医学、复合资料、磨料等范畴的使用供给了或许，也为耐性氧化铝纳米晶陶瓷的研制奠定了根底。在未来，或许你手中的纳米陶瓷水杯掉在地上不会摔碎；将纳米刚玉颗粒涂在车床高耐磨度刀具外表，“削铁如泥”就会变成实际……