浙江大学のチームが新しい物質を創製し、その結果がネイチャー誌に掲載される

セラミックとゴムは私たちの生活の中でよく使われる2つの素材です。陶器は硬くて脆く、滑って地面に落ちるとガタンと割れてしまうという印象があります。ゴムは柔らかくて弾力があります。強く握るとへこみますが、その後元の形に戻ります。

硬さと弾力性は自然界における「矛盾」の対です。物質が両方の特性を同時に持つことを望むのは幻想のようです。

最近、浙江大学化学部の唐瑞康教授と劉兆明研究員の共同チームが、有機化合物と無機イオン化合物を分子レベルで組み合わせた新しい物質を発明し、同じ物質で硬度と弾性の「両立性」を完璧に実現し、同時にプラスチックのような可塑性も備えている。

これまで、科学界は主に、有機物質と無機物質を混合することで、その特性を妥協しようとしてきました。微視的なスケールでは、有機物と無機物は依然として比較的独立して存在しています。今回、浙江大学の研究チームは初めて分子レベルで有機化合物と無機イオン化合物の融合を実現し、これまでの材料とは全く異なる性質を持つ新物質を得た。

研究チームはこの新素材を「弾性セラミックプラスチック」と名付けた。この成果は北京時間6月8日に、トップクラスの国際学術誌「ネイチャー」オンライン版に掲載された。論文の第一著者は化学学科の博士課程学生であるFang Weifeng氏であり、共同著者はTang Ruikang氏とLiu Zhaoming氏である。この研究は、浙江大学の穆趙博士、博士課程の何燕氏と孔康仁氏、華東師範大学の江凱准研究員によって支援されました。

チーム写真

普通の「黄色いボタン」

記者は現場で、この新しい物質が表面上は普通に見える小さな黄色いボタンのような塊であるのを目撃した。研究チームでさえ、最初はこれが新しい物質だとは気づいていなかった。

もちろん、このような新しい物質はどこからともなく現れるわけではありません。彼らはかなり長い「妊娠」プロセスを経ます。

従来の認識では、無機化学と高分子化学の分野では材料の製造方法が全く異なっていたが、2019年に唐瑞康氏のチームは「無機イオンオリゴマーとその重合反応」という新しい概念を提唱し、両者の境界を打ち破った。

炭酸カルシウムはプラスチックのように作ることができるので、無機物は有機化学的手法で作ることができるのでしょうか？研究チームは多数の実験を行った。

「有機物は共有結合でつながっており、無機イオン化合物はイオン結合で結合しています。1つの分子内で有機物と無機物の一体化を実現するために、この媒体は非常に重要です」と唐瑞康氏は語った。

研究チームは、有機化学における「機能化反応」の合成概念を無機合成化学に統合し、無機イオンオリゴマーの機能化反応を設計し、「無機イオン分子」に有機機能性分子を導入し、有機フラグメントと無機イオンフラグメントとのハイブリッド分子の合成を実現しました。

「多くの化学反応を検討した結果、無機化学における典型的な酸塩基反応を最終的に選択しました。この方法は、アルカリイオン塩を酸性有機分子と簡単かつ迅速に結合してハイブリッド分子を形成できます。炭酸カルシウムオリゴマーとリポ酸分子を例にとると、イオンフラグメントの重合とリポ酸のジスルフィド結合の重合反応により、ハイブリッド分子から「下から上へ」マクロ材料を形成できます。」劉昭明は言った。

このハイブリッド分子の重合によって形成されたマクロ的な物質が、私たちが最終的に目にする「小さな黄色いボタン」です​​。

隠された意味を持つ新しい構造

このハイブリッド分子によって形成される物質構造は、無機物と有機物が単に「手を取り合う」という単純なものではありません。研究チームは、クライオ電子顕微鏡実験による3次元画像化を通じて、これが新しい構造であることを発見しました。

この分子では、無機イオン結合ネットワークと有機共有結合ネットワークが絡み合っており、「私はあなたの中にいて、あなたは私の中にいる」のです。この絡み合ったネットワークは伸縮性のある骨格のようなもので、無機物の性質を持ちながら有機物の特性も保持しているため、一定の硬度と弾力性を備えています。一定の外力が加わると、無機骨格が硬度と強度を発揮します。外力が大きく弾性変形が起こると、骨格全体が変形して緩衝効果を生み出します。外部からの力が除去されると、有機骨格が反発の役割を果たして、ネットワーク全体が元の状態に戻ります。

イオン共有結合二重ネットワークのクライオ電子顕微鏡3D再構成、2D再構成および電子顕微鏡画像

「有機共有結合ネットワークと無機イオン結合ネットワークが絡み合ったこの構造は前例がない」と唐瑞康氏は言う。かつて、有機物と無機物の融合は、有機物の骨組みの中に無機物の粉末を注ぎ、均一にかき混ぜるような単純な重ね合わせでした。それを分子レベルで層ごとに分解すると、それは依然として「あなたはあなたのもの、私は私のもの」であり、より正確に言えば、それは単に 2 つの混合物です。 「今回の実験では、これまで存在しなかったまったく新しい分子が生成されたため、分子レベルで従来の有機化合物と無機イオン化合物の間の障壁を打ち破り、まったく新しい構造が得られました。」

全能の「五角形の戦士」

化学は新しい物質を作り出す学問です。

一言で言えば、浙江大学のこの成果は、研究者が有機物と無機物を含む分子単位をつなぎ合わせて新しい分子を作り出し、新しい物質世界を形成したということである。

私たちの認識を打ち破るこの新しい物質は、分子レベルでは、有機共有結合イオンと無機イオンが絡み合ったネットワークであり、その中で有機物質と無機物質の化学比はそれぞれ約半分ずつです。マクロな材料レベルでは、ゴムとセラミックの両方の特性を持つ複合プラスチックです。

浙江大学の科学者たちは、この新素材の性能を代表的なセラミック、ゴム、プラスチック、金属と比較し、硬度、反発性、強度、変形、加工性などいくつかの指標で高いスコアを獲得したことを発見した。大理石のような硬さ、ゴムのような弾力性、プラスチックのような可塑性を持ち、従来のプラスチックにはない、加熱しても柔らかくならないという特性を持っています。まさに「五角形」の戦士とも言えるほど強力です。

弾性セラミックプラスチックの5つの特性と他の材料との比較

唐瑞康氏は「新しい分子から新しい構造、新しい材料まで、私たちは新しい世界を開拓した」と語った。

この結果は論文の査読者や編集者から高く評価され、「この論文は、セラミックの強度と硬度、ポリマーの変形性、柔軟性、弾性を備えたまったく新しい材料を報告している。これは材料科学コミュニティの注目を集めるだけでなく、科学コミュニティ全体の関心も集めるだろう。なぜなら、新しい材料は常に新しい可能性を切り開くからだ」と記されている。同時に、「ネイチャー」には特別な研究概要も掲載されました。

唐瑞康氏は、次の研究段階について、新しい分子、新しい構造、新しい材料が基礎化学から材料科学まで多くの研究分野に応用されることが期待されるとともに、将来の科学研究にさらなる想像の余地を残すと述べた。

このプロジェクトは、中国国家自然科学基金（22022511、22275161）、国家重点研究開発計画（2020YFA0710400）、中央大学基礎研究事業費（226-2022-00022、2021FZZX001-04）の資金提供を受けて実施されました。

二連続ネットワークを有する弾性セラ​​ミックプラスチックの概念図