“我”是誰？
“我”屬于材料家族的一分子，比塑料硬朗，比木頭光滑，比金屬耐腐蝕、抗氧化、耐高溫；我在人們的生活中無處不在，我就是現(xiàn)代社會生產(chǎn)生活最常用到的三大材料之一陶瓷。
氧化鋁陶瓷是我們家族中綜合性能最好、價格最低、最常用的一種。阿爾法氧化鋁，也叫剛玉，是大塊氧化鋁熱力學上最穩(wěn)定的一種。
正如人無完人，“我”也有自己的弱點，你們口中的“碰瓷兒”“瓷娃娃”，不都是在說我脆弱易碎、韌性不足嗎？
不過你們也許吐槽不了太久了，“我”聽說蘭州大學物理科學與技術學院李建功教授團隊用20年時間，已經(jīng)研制出制備韌性氧化鋁陶瓷的原料——剛玉納米顆粒，該項成果在2020年5月29日國際頂級學術期刊Science發(fā)表。
未來，無論是坦克、飛機發(fā)動機、機車床切削刀具，還是你的一顆牙齒、腫瘤治療，都可能會用到我的新生代——剛玉納米顆粒。
逆向思維無懼權威
2019年10月，李建功在Science上看到一篇催化及材料研究領域知名科學家費爾迪·舒特（Ferdi Schü th）教授團隊的論文。該論文報道，此團隊研制成功比表面積140㎡/g、平均顆粒尺寸13納米的剛玉納米顆粒；并宣稱至今尚無人制備出比表面積高于100㎡/g的剛玉納米顆粒。而納米陶瓷顆粒領域的共識是：比表面積越大、顆粒尺寸越小，催化性能越好，致密化得到的陶瓷性能也越好。
李建功有點納悶，自己的團隊已在2015至2018年先后研制出尺寸小于5納米、比表面積161m2/g至253㎡/g的剛玉納米顆粒。要不要否定一位高比表面積催化材料領域權威“大神”的研究結論？李建功從去年10月猶豫到今年1月，眼見Science關于學術論文三個月評論期的時限越來越近，他終于下定決心，抱著對科學負責的態(tài)度，用自己團隊的成果否定了舒特團隊的結論。
2020年5月29日，李建功團隊的評論文章在Science發(fā)表，報道該團隊先后開發(fā)的三種高效制備方法，制備的剛玉納米顆粒比表面積均高于100㎡/g，也高于舒特團隊報道的140㎡/g。該評論還指出舒特的材料其實是30—200納米的硬團聚體，而非13納米的納米顆粒，并分析了其顆粒粗大但比表面積較高的原因。
這是李建功團隊第二次對Science刊登的內(nèi)容發(fā)起挑戰(zhàn)，關于剛玉納米顆粒研究，他的故事還要從23年前講起。
無人之路難在何處
1997年，李建功無意間看到Science發(fā)表的普林斯頓大學Navrotsky團隊的一篇論文，上面寫道：阿爾法氧化鋁（剛玉），當比表面積高于100㎡/g，或顆粒尺寸小于15納米時，成為熱力學非穩(wěn)定相，這成為了剛玉納米顆粒制備的瓶頸和“魔咒”，很多人嘗試多年都無法突破。
“熱力學上不穩(wěn)定的東西幾乎是沒法做的”，這個結論讓很多從事這個領域的科研工作者先后放棄。但李建功擁有一種逆向思維，“Science否定了的領域肯定是很難突破的，通常人不會選擇，這對我來說就是一個無人競爭的好機會，我不需要和他人比速度。更重要的是，如果開發(fā)出剛玉納米顆粒，這件事本身就非常有價值。哪怕最后我失敗了，失敗本身也是一種成果。”
要想得到15納米以下的更小的剛玉納米顆粒，有人可能會說，那直接粉碎就好啊，這有什么難的？
但你不知道的是，當剛玉納米顆粒尺寸小于15納米時，每個顆粒因為表面能過高，就變成了一個個活躍的“熊孩子”，在一起“抱團兒”。它們“親密無間”，怎么拽也拽不開，專業(yè)術語稱之為燒結或硬團聚�？茖W家們怎么“拉扯”它們也“扯”不開，得不到分散的顆粒，也就不能用來制造性能優(yōu)異的氧化鋁陶瓷。
“2003—2008年，我們才漸漸有了思路，就是通過第二相包覆來降低剛玉表面能，或者提供充足能量讓剛玉納米顆粒在非平衡條件下形成�！崩罱ü谥械摹暗诙喟步档捅砻婺堋敝傅氖�，讓剛玉納米顆粒形成時被另一相包圍著，這樣剛玉納米顆粒的自由表面就變成了與另一相的界面，選擇合適的第二相，就可使這個界面能低于剛玉的表面能。
“就好像疫情期間的居家隔離�！比绨驯砻婺芎芨叩�15納米以下的剛玉納米顆粒比作“熊孩子”，疫情期間把這些愛扎堆的“熊孩子”隔離在家，那么它們不就抱不了團兒了嗎？但是用什么來充當隔離相呢？這是第一個問題。
正如在河水的沖擊下會產(chǎn)生大小不一的石塊、鵝卵石和砂礫，在實驗室中，磨制剛玉納米顆粒的行星式球磨機就是通過硬球的撞擊，把剛玉粉碎成納米級的顆粒。在球磨機的作用下，收集起來的剛玉納米陶瓷顆粒的尺寸大小會差異很大。當它們混在一起，如何把大小相近的顆粒分別收集起來？這是第二個問題。
摸黑前行終見曙光
打開這篇李建功團隊在Science上發(fā)表的文章，作者一欄并列寫著：李建功、蒲三旭、曹文斌、李璐、郭瑞云，后四人分別是李建功2010—2013級的博士生或碩士生。最初，雖然有思路，甚至思路正確，但效果卻不盡如人意。
2013年6月的一天，蒲三旭隨手將離心分離后看似清澈無物的離心清液倒入用過的廢鹽酸燒杯中，原本清澈的廢液突然變成乳白色，沒想到這一次意外竟成為了團隊科研突破的重大轉折點。
蒲三旭興奮地說：“原來李老師的思路是對的，前面很多師兄師姐沒有離心得到細小納米顆粒，是因為顆粒懸浮在液體中，由于表面有雙電層互相排斥，非常穩(wěn)定。加入鹽酸，顆粒表面的雙電層被破壞，這些細小的納米顆粒就都沉淀出來了。既然濃鹽酸可以讓大小不同的所有納米顆粒沉降，如果用不同濃度的鹽酸，是不是可以讓不同尺寸的納米顆粒沉降呢？”蒲三旭和李璐果然通過實驗證實了這一猜想，這種方法被稱為“分級聚沉法”。
2013年前后，團隊這條路不僅走通了，在李建功的指導下，四位蘭大材料科學與工程專業(yè)的研究生還探索出幾條制備細小剛玉納米顆粒的路徑。
曹文斌、郭瑞云開發(fā)的是共沉淀—煅燒—選擇腐蝕法，通過液相化學反應，發(fā)生共沉淀，制備剛玉納米顆粒�！坝醚趸F做隔離相�！�2012年，當時還在讀研二的曹文斌翻閱大量文獻后提出自己的想法。
2016年，李璐又開發(fā)出了直接球磨法，以粗大的微米級剛玉粉體為原料，直接高能球磨，再經(jīng)酸洗，得到8納米的剛玉納米顆粒，經(jīng)驗證這也是最簡捷高效的一種方法。
“十幾年如一日地在黑暗中前行，有時候連曙光都看不見。我是茫然，學生是隨時想放棄，有時候我也不知道自己是怎么堅持下來的�！崩罱ü貞浀�。
目前，團隊正在以超細剛玉納米顆粒為原料，與國內(nèi)外合作，通過超高壓熱壓技術，朝著致密度99%以上和平均晶粒尺寸15納米以下的細晶氧化鋁納米晶陶瓷發(fā)起沖擊。
剛玉納米顆粒的成功制備，表明熱力學不穩(wěn)定的納米顆粒材料是可制備的，為今后在催化、醫(yī)學、復合材料、磨料等領域的應用提供了可能，也為韌性氧化鋁納米晶陶瓷的研發(fā)奠定了基礎。在未來，也許你手中的納米陶瓷水杯掉在地上不會摔碎；將納米剛玉顆粒涂在車床高耐磨度刀具表面，“削鐵如泥”就會變成現(xiàn)實……
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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