“这种复合矿物80%以上是无机磷酸钙 ， 剩下的近20%为有机高分子聚乙烯醇和海藻酸 。 ”刘昭明表示 ， 这些无机纳米纤维通过有机物黏接 ， 形成了宏观尺度的块体材料 ， 即为复合矿物 。
透射电镜图像显示 ， 研究团队得到的无机磷酸钙纳米纤维和常规合成中得到的羟基磷灰石有着不同的结构：原本羟基磷灰石中的钙离子是周期性排列的 ， 而在团队制备的复合矿物样品中 ， 钙离子会有周期性的缺失 。
刘昭明解释道 ， 正是由于钙离子的周期性缺失 ， 让原本稳定、刚性的无机离子网络变为类似于3至4条“无机离子链”平行排列的结构 ， 且结构可变 。 这样的结构降低了磷酸钙内部的交联密度 ， 离子之间的距离可以相对更容易地拉长或压缩 ， 从而使无机结构具有一定的可弯曲性 。
经实验测试 ， 这一复合矿物拉伸强度在20兆帕左右 ， 弹性模量在600兆帕左右 ， 整体表现出类似塑料的柔韧性 ， 性能与传统塑料类似 ， 可以进行拉伸或者弯曲 。 此外 ， 复合矿物由于无机物的含量高 ， 硬度也比一般的塑料高 ， 应用中不太容易形成划痕 。
通过实验检验 复合矿物对环境基本友好
现如今 ， 除了可降解塑料外 ， 纸制品、竹木制品等塑料替代品 ， 一定程度上可减缓“白色污染” ， 但在防水性、柔韧性、防火性等方面 ， 却未能完全替代塑料制品 ， 因此还有待新的替代品出现 ， 填补缺陷 。
2019年 ， 刘昭明研究员团队曾在《自然》杂志发表“无机离子聚合”技术 ， 成功制备无机离子寡聚体 ， 实现像做塑料那样制备宏观的无机矿物材料 ， 为此次复合矿物的研究打下了基础 。
由于大片水域遭塑料倾倒、人体内发现微塑料或动物误食塑料致死等新闻常见诸报端 。 对此 ， 研究团队做了一些模拟复合矿物自然界被风化、被浸泡、被动物吞噬等过程的实验 。
实验的大致结论是 ， 复合矿物在水中长时间浸泡(3个月以上)后 ， 其中的聚乙烯醇和海藻酸可以被溶解 ， 它们对环境友好 ， 不会造成污染 ， 剩下的沉淀是结晶的羟基磷灰石 ， 与地质中的矿物羟基磷灰石无异 。
刘昭明表示 ， 复合矿物在海水浸泡或风化作用下 ， 最终会转变为地质矿物 ， 回归自然 。 此外 ， 在pH值为4的酸性环境中 ， 复合矿物中的无机物质会溶解 。 因此如果这种材料被动物误食 ， 理论上是可以被缓慢降解吸收的 ， 不太可能会产生堵塞野生动物消化系统的问题 。
此外 ， 研究团队发现 ， 相比一般的塑料在火焰中会被点燃并熔化 ， 复合矿物燃烧时无明显变化 ， 燃烧后会变成磷酸三钙一类的结晶矿物 ， 从而失去韧性 。
【拒绝白色污染 让“石头”成为可“塑”之材】据介绍 ， 研究团队将围绕降低复合矿物制备成本等方面展开进一步研究 。 “材料中无机物含量达到80%已经是很大的突破 ， 但是剩下接近20%的有机高分子使复合矿物不能变成真正的矿物 。 ”刘昭明说 ， 团队还希望能揭示“周期性缺陷结构”磷酸钙的形成机理 ， 并将复合矿物中的有机高分子完全去除 ， 让人类对无机物的认识、合成与结构控制能更上一层楼 。