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，而石油基的塑料原本不存在于自然界，不具備可降解性；而現已應用的可降解塑料，其降解條件并不簡單。

  2021年9月，國家發改委、生態環境部聯合印發《“十四五”塑料污染治理行動方案》，提出科學穩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的石油基塑料，例如用聚乳酸來生產塑料。此外，用自然環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，地質礦物就是環境的一部分，并能參與到地質循環之中，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。“這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。”劉昭明說，這啟發他們去探索相似的調控手段，實現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。”劉昭明表示，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。