6月25日，science以“Pressure-driven fusion of amorphous particle sinto integrated monoliths”（非晶态粒子的压力驱动聚变）为题发表了浙江大学化学系唐睿康教授团队与刘昭明研究员团队合作最新研究发现——可以通过调控无定形碳酸钙颗粒内部的结构水含量和外部压力来实现无定形碳酸钙颗粒的融合，形成透明整料。论文地址：DOI:10.1126/science.abg1915

相比弹性大、可塑性强的有机材料，如碳酸钙一类的无机化合物硬且脆、制备成块体材料难度较大。无定形碳酸钙就是如此，它对加热也很敏感，将起始纳米颗粒压实太多往往会导致结晶；再比如陶瓷是在1000摄氏度左右的高温下烧制成的，但颗粒之间仍然有空隙，内部结构并未融合，最终会影响材料的机械性能。

2019年，唐睿康团队曾发布一项成果——“无机离子聚合”，实现了实验室内厘米尺寸的碳酸钙晶体材料的快速制备，并且可以像做塑料一样按照模具形状进行制备。该项研究过程中，团队成员注意到——无定形碳酸钙颗粒在压制过程中，颗粒边界渐渐消失，最后完全融合为一体。

本次研究中，论文第一作者、浙大化学系博士生慕昭与孔康任通过实验发现，如果水分子能保持在一个合适的量（一个碳酸钙分子对应0.2—1.1个水分子），再施加0.6-3.0GPa的压力，就能在碳酸钙内部形成动态水通道，促进碳酸根离子与钙离子的重新“站队”，加速混合，最终实现无定形颗粒的融合，成功构建了具有连续结构的碳酸钙块体材料。据介绍，按照研究团队的制备方式做出来的碳酸钙块状材料具有连续结构，其光学透过性和机械性能俱佳，硬度为2.739GPa，弹性模量为49.672GPa，其性能优于大多数的水泥基块体材料，与方解石单晶的性能相近。

左上：水团簇的示意图，水团簇内部有由水分子所形成的水通道（深紫色）；右上：块体材料机械性能的比较，插图是未融合与完全融合的颗粒形成的块体材料的光学透过性比较；

下图：随着压力增大，颗粒逐渐从不融合向完全融合转变的SEM图片。

“2019年那项研究是从零开始合成碳酸钙晶体大块材料。本次研究的是如何把已有的碳酸钙粉末材料变成大块材料，好比把小石头融合成一块大石头。二者殊途同归。”唐睿康表示。“石头是刚性的，水是柔性的，当石头内部含有适量的结构水，在压力下这种石头就像橡皮泥，受挤压时发生融合现象。”刘昭明解释道。

研究团队进一步实验发现，此类融合现象适用于多种无机离子化合物。“除了水分子以外，其他离子也可以作为添加剂加进去，添加剂会影响碳酸钙的流动性和融合性。这就充分展示了提高固态材料流动性的潜在方法，为固体材料的融合提出了新的认知，有望使固态无机材料在常温下也可以具有类似液体的性质。”

论文评审专家认为：“这项新颖且富创新性的研究对设计新型陶瓷及陶瓷/有机复合材料具有潜在的引领意义，对提升材料力学性能有重要价值，尤其是针对热敏感材料。”

粉体圈 整理