Das Team der Zhejiang-Universität entwickelt neue Substanzen und veröffentlicht die Ergebnisse in Nature

Keramik und Gummi sind zwei Materialien, die wir in unserem Leben häufig verwenden. Unser Eindruck ist, dass Keramik hart und spröde ist und beim Herunterfallen mit einem lauten Knall zerbricht. Gummi fühlt sich weich und federnd an. Wenn Sie fest darauf drücken, verbeult es sich und nimmt dann wieder seine ursprüngliche Form an.

Härte und Elastizität sind in der Natur ein Paar „Widersprüche“. Der Wunsch, dass eine Substanz beide Eigenschaften gleichzeitig besitzt, scheint eine Fantasie zu sein.

Kürzlich hat ein Team aus Professor Tang Ruikang und dem Forscher Liu Zhaoming vom Institut für Chemie der Zhejiang-Universität eine neue Substanz erfunden, die organische und anorganische ionische Verbindungen auf molekularer Ebene kombiniert und so die perfekte „Kompatibilität“ von Härte und Elastizität in derselben Substanz erreicht, während sie gleichzeitig die Plastizität von Kunststoff aufweist.

Bisher versuchte die Wissenschaft vor allem, die Eigenschaften organischer und anorganischer Stoffe dadurch zu beeinträchtigen, dass sie beide Stoffe vermischten. Auf mikroskopischer Ebene existieren organische und anorganische Substanzen noch relativ unabhängig voneinander. Diesmal gelang es dem Team der Zhejiang-Universität erstmals, organische Verbindungen und anorganische ionische Verbindungen auf molekularer Ebene zu kombinieren und so eine neue Substanz mit völlig anderen Eigenschaften als bisherige Materialien zu erhalten.

Das Team nannte dieses neue Material „elastischer Keramikkunststoff“. Am 8. Juni, Pekinger Zeit, wurde diese Errungenschaft online in der führenden internationalen Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Der Erstautor des Artikels ist Fang Weifeng, ein Doktorand im Fachbereich Chemie, und die Co-Korrespondenzautoren sind Tang Ruikang und Liu Zhaoming. Die Forschungsarbeit wurde von Dr. Mu Zhao, den Doktoranden He Yan und Kong Kangren von der Zhejiang-Universität und dem assoziierten Forscher Jiang Kai von der East China Normal University unterstützt.

Teamfotos

Der gewöhnliche „Gelbe Knopf“

Der Reporter sah vor Ort, dass es sich bei dieser neuen Substanz um eine kleine gelbe, knopfartige Masse handelte, die an der Oberfläche gewöhnlich aussah. Dass es sich um eine neue Substanz handelte, war selbst dem Forscherteam zunächst nicht klar.

Natürlich fallen solche neuen Substanzen nicht aus dem Nichts; Sie durchlaufen einen ziemlich langen „Reifeprozess“.

In der traditionellen Auffassung unterscheiden sich die Methoden zur Herstellung von Materialien in den Bereichen der anorganischen Chemie und der Polymerchemie grundlegend. Doch im Jahr 2019 schlug das Team von Tang Ruikang ein neues Konzept für „anorganische Ionenoligomere und ihre Polymerisationsreaktionen“ vor, das die Grenzen zwischen beiden aufhebt.

Da Calciumcarbonat wie Kunststoff hergestellt werden kann, können anorganische Substanzen mit Methoden der organischen Chemie hergestellt werden? Das Forschungsteam führte zahlreiche Experimente durch.

„Organische Materie ist durch kovalente Bindungen verbunden und anorganische ionische Verbindungen werden durch ionische Bindungen kombiniert. Um die Einheit von organischer und anorganischer Materie in einem Molekül zu erreichen, ist dieses Medium sehr wichtig“, sagte Tang Ruikang.

Das Forschungsteam integrierte das synthetische Konzept der „Funktionalisierungsreaktion“ aus der organischen Chemie in die anorganische Synthesechemie, entwarf eine Funktionalisierungsreaktion anorganischer Ionenoligomere, führte organische Funktionsmoleküle in „anorganische Ionenmoleküle“ ein und realisierte die Synthese von Hybridmolekülen mit organischen Fragmenten und anorganischen Ionenfragmenten.

Nach Prüfung zahlreicher chemischer Reaktionen entschieden wir uns schließlich für die klassische Säure-Base-Reaktion der anorganischen Chemie. Mit dieser Methode lassen sich alkalische Ionensalze einfach und schnell mit sauren organischen Molekülen zu Hybridmolekülen verknüpfen. Am Beispiel von Calciumcarbonat-Oligomeren und Liponsäuremolekülen können wir durch die Polymerisation ionischer Fragmente und die Polymerisationsreaktion von Disulfidbindungen in der Liponsäure makroskopische Materialien aus Hybridmolekülen „von Grund auf“ bilden. sagte Liu Zhaoming.

Das makroskopische Material, das durch die Polymerisation dieses Hybridmoleküls entsteht, ist der „kleine gelbe Knopf“, den wir schließlich sehen.

Eine neue Struktur mit einer verborgenen Bedeutung

Die durch dieses Hybridmolekül gebildete Materialstruktur ist nicht so einfach wie die bloße Realisierung des „Hand in Hand“-Verhaltens von anorganischer und organischer Materie. Durch dreidimensionale Bildgebung mittels Kryo-Elektronenmikroskopie-Experimenten entdeckte das Forschungsteam, dass es sich um eine neue Struktur handelte.

In diesem Molekül sind das anorganische ionische Bindungsnetzwerk und das organische kovalente Bindungsnetzwerk miteinander verflochten: „Ich bin in dir und du bist in mir.“ Dieses verflochtene Netzwerk ist wie ein dehnbares Skelett, das sowohl die Eigenschaften anorganischer Materie besitzt als auch die Merkmale organischer Materie beibehält, sodass es eine gewisse Härte und Elastizität aufweist. Bei Einwirkung einer bestimmten äußeren Kraft kann das anorganische Skelett für Härte und Festigkeit sorgen. Wenn die äußere Kraft groß ist und eine elastische Verformung auftritt, verformt sich das gesamte Skelett, wodurch ein Puffereffekt entsteht. Nachdem die äußere Kraft entfernt wurde, übernimmt das organische Skelett eine Rückprallfunktion und ermöglicht dem gesamten Netzwerk, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren.

Kryo-EM 3D-Rekonstruktion, 2D-Rekonstruktion und EM-Bilder des ionenkovalenten Doppelnetzwerks

„Diese Struktur aus verflochtenen organischen kovalenten Bindungsnetzwerken und anorganischen ionischen Bindungsnetzwerken ist beispiellos“, sagte Tang Ruikang. In der Vergangenheit war die Verschmelzung organischer und anorganischer Substanzen eine einfache Überlagerung der beiden, etwa indem man anorganisches Pulver in das Gerüst organischer Materie schüttete und es gleichmäßig verrührte. Wenn man es Schicht für Schicht aufschlüsselt, auf molekularer Ebene, heißt es immer noch „Du gehörst Dir, ich gehöre Mir“. Genauer gesagt ist es also nur eine Mischung aus beidem. „Unser Experiment hat dieses Mal brandneue Moleküle hervorgebracht, die es vorher nicht gab. So haben wir eine brandneue Struktur erhalten und damit die Barrieren zwischen traditionellen organischen Verbindungen und anorganischen ionischen Verbindungen auf molekularer Ebene durchbrochen.“

Der allmächtige „fünfeckige Krieger“

Chemie ist die Lehre von der Herstellung neuer Stoffe.

Kurz gesagt besteht die Errungenschaft der Zhejiang-Universität darin, dass die Forscher durch das Zusammenfügen molekularer Einheiten, die organische und anorganische Substanzen enthalten, ein neues Molekül geschaffen und so eine neue materielle Welt geschaffen haben.

Diese neue Substanz, die unser Wissen durchbricht, ist auf molekularer Ebene ein verflochtenes Netzwerk aus organischen kovalenten und anorganischen Ionen, in dem das chemische Verhältnis der organischen und anorganischen Substanzen jeweils etwa halb so groß ist. Auf makroskopischer Materialebene handelt es sich um einen Verbundkunststoff, der sowohl die Eigenschaften von Gummi als auch von Keramik besitzt.

Wissenschaftler der Zhejiang-Universität verglichen die Leistung dieses neuen Materials mit repräsentativen Keramik-, Gummi-, Kunststoff- und Metallsorten und stellten fest, dass es bei mehreren Indikatoren wie Härte, Rückprall, Festigkeit, Verformung und Verarbeitbarkeit hohe Werte erzielte. Es hat die Härte von Marmor, die Elastizität von Gummi, die Plastizität von Kunststoff und eine Eigenschaft, die herkömmliche Kunststoffe nicht haben: Es wird nach dem Erhitzen nicht weich. Es ist so mächtig, dass man es als „fünfeckigen“ Krieger bezeichnen könnte.

Vergleich von fünf Eigenschaften elastischer keramischer Kunststoffe mit anderen Materialien

Tang Ruikang sagte: „Von neuen Molekülen über neue Strukturen bis hin zu neuen Materialien haben wir eine neue Welt eröffnet.“

Die Ergebnisse wurden von den Gutachtern und Herausgebern des Artikels sehr gelobt: „Dieser Artikel beschreibt ein völlig neues Material, das die Festigkeit und Härte von Keramik sowie die Verformbarkeit, Flexibilität und Elastizität von Polymeren besitzt. Dies wird nicht nur die Aufmerksamkeit der Materialwissenschaftler, sondern auch das Interesse der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft erregen, denn neue Materialien eröffnen immer neue Möglichkeiten.“ Gleichzeitig erschien auch ein spezieller Rechercheauftrag für „Nature“.

In Bezug auf die nächsten Arbeitsschritte sagte Tang Ruikang, dass neue Moleküle, neue Strukturen und neue Materialien voraussichtlich in vielen Forschungsfeldern von der Grundlagenchemie bis hin zur Materialwissenschaft Anwendung finden werden und gleichzeitig mehr Raum für Fantasie bei der zukünftigen wissenschaftlichen Forschung bleibt.

Das Projekt wurde von der National Natural Science Foundation of China (22022511, 22275161), dem National Key R&D Program (2020YFA0710400) und den Basic Research Business Expenses for the Central Universities (226-2022-00022, 2021FZZX001-04) finanziert.

Konzeptbild eines elastischen Keramikkunststoffs mit bikontinuierlichem Netzwerk