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研究团队发展了油酸钙前驱体溶剂热法

发布时间:2018-07-06 | 作者:admin | 点击:
 
  从2008年开始,我的团队开始研究纳米生物材料,其中一个典型生物材料就是羟基磷灰石 (Ca10(PO4)6(OH)2) (又称碱式磷酸钙或羟基磷酸钙),最初几年主要研究羟基磷灰石纳米材料在生物医学领域中的应用,例如研究它作为药物缓释的载体以及作为骨缺损修复材料。在众多的无机非金属材料中,羟基磷灰石材料具有独特之处。羟基磷灰石是一种天然矿物质,它是一种典型的生物材料,与我们的身体有着千丝万缕的联系,它是人体骨骼和牙齿的主要无机成份,人的骨骼中羟基磷灰石的含量约为70 %,而牙釉质中羟基磷灰石的含量高达90 %以上。
 
  羟基磷灰石具有优良的生物相容性,并且环境友好。羟基磷灰石本身呈现优质的白色,熔点高(~1650℃),耐高温,不燃烧。羟基磷灰石材料对牙齿具有良好的再矿化、脱敏及美白作用,可阻止钙离子流失,预防龋齿病。含有羟基磷灰石的牙膏对唾液蛋白、葡聚糖具有良好的吸附作用,可减少口腔内的牙菌斑,促进牙龈炎愈合,对龋病、牙周病有良好防治作用。羟基磷灰石材料还是优良的骨缺损修复材料,植入人体后可释放出钙离子和磷酸根离子被身体组织吸收,有助于新骨生长。羟基磷灰石材料还具有其它多种用途,在药物缓释、生物成像、蛋白质分离、生物涂层、组织工程等生物医学领域具有良好的应用前景。此外,羟基磷灰石材料也可用于催化、污水净化、传感器等多个领域。
 
  羟基磷灰石材料虽然耐高温、耐火,但是遗憾的是通常羟基磷灰石材料就像牙齿和骨骼一样又硬又脆,并不适合用来制造柔软的耐火纸。2013年,博士研究生路丙强在研究团队以往研究工作的基础上,通过反复实验,一次偶然的机会成功地合成出羟基磷灰石纳米线。他想通过过滤的方法从悬浮液中分离出这个材料。但是,没有想到这个材料与其它材料不同,过滤后它在滤纸上形成了类似膜一样的东西,但它的强度很低,稍微碰一下它就破了。在当时,路丙强还感到很失望,因为没有得到他想要的纳米粉体材料。
 
  在团队讨论会上,大家对羟基磷灰石纳米线能有什么用途发表自己的想法。有人提出可以用羟基磷灰石纳米线做骨缺损修复材料,因为羟基磷灰石是典型的生物材料,自然而然应该考虑它在生物医学领域的应用;而路丙强提出用它做薄膜,并研究它在生物医学领域的应用。但我不太赞成这个想法,我说应该有更大胆、更创新的想法。当时,我突然闪现出一个灵感,我想到将羟基磷灰石纳米线用作原料来研制新型无机耐火纸。这在当时,有些团队成员觉得我的这个想法“不靠谱”,毕竟研究团队不是研究造纸的,也不会造纸,而且羟基磷灰石是传统的生物材料,似乎也不应该将它与耐火纸联系起来。
 
  所制备的羟基磷灰石超长纳米线的扫描电子显微图片(a, b)和透射电子显微图片(c),纳米线可自然弯曲,表明具有良好的柔韧性; (d) 羟基磷灰石超长纳米线浆料可以形成很长的纤维(约28 毫米),是制造新型无机耐火纸的理想原料所制备的羟基磷灰石超长纳米线的扫描电子显微图片(a, b)和透射电子显微图片(c),纳米线可自然弯曲,表明具有良好的柔韧性; (d) 羟基磷灰石超长纳米线浆料可以形成很长的纤维(约28 毫米),是制造新型无机耐火纸的理想原料
 
  所制备的羟基磷灰石超长纳米线的水性浆料,呈现优质的白色,分散性好,是制造新型无机耐火纸的理想原料所制备的羟基磷灰石超长纳米线的水性浆料,呈现优质的白色,分散性好,是制造新型无机耐火纸的理想原料
 
  通过大量的实验后发现,我的这个想法还是可行的。研究团队发展了油酸钙前驱体溶剂热法,成功地制备出羟基磷灰石超长纳米线,其直径为约为10纳米、长度可达100微米到几百微米。羟基磷灰石超长纳米线的直径比人的头发丝还要小大约一万倍,其尺寸是如此之小,人的眼睛根本看不见,需要用高倍扫描电子显微镜观察。在高倍扫描电子显微镜下,这些羟基磷灰石超长纳米线可以自然弯曲,看上去就像又长又软的挂面一样,具有良好的柔韧性,这就可以解决羟基磷灰石材料的高脆性难题。研究团队采用羟基磷灰石超长纳米线作为原料,成功地研制出新型无机耐火纸,使“纸能包住火”成为现实。
 
  新型无机耐火纸具有良好的柔韧性、优异的耐高温、耐火和隔热性能,即使加热到红热仍然不燃烧,可以耐1000℃以上的高温;而普通纸加热几秒钟即燃烧化为灰烬。
 
  该新型无机耐火纸外观上和普通纸相似,呈现优质的白色,具有良好的柔韧性,可以任意卷曲,环境友好,不像传统植物纤维纸那样需要漂白;最神奇的是,新型无机耐火纸还具有传统植物纤维纸不具备的耐高温和耐火性能,即使在1000℃高温下耐火纸仍然可以保持其完整性;该耐火纸可以书写以及采用打印机彩色打印。新型无机耐火纸具有多种用途,其应用可扩展到传统植物纤维纸无法应用的领域,在多个领域具有良好的应用前景。
 
  最初研制的新型无机耐火纸虽然不怕火,但是它还是怕水的,所以还需要解决耐火纸的防水难题。要解决耐火纸的防水难题,就需要使耐火纸具有超疏水性能。超疏水性能是指水在材料表面的稳定接触角大于150°并且滚动接触角小于10°。具有超疏水性能的材料具有抗污、防雾、自清洁等优点,在多个领域具有良好的应用前景。“出淤泥而不染,濯清涟而不妖”,宋代诗人周敦颐在《爱莲说》中用这样的诗句表达了对莲花品质的喜爱。莲花“出淤泥而不染”及荷叶的超疏水和自清洁功能,即荷叶效应,引起了人们的极大兴趣。荷叶的表面结构特征有两个,其一是特殊的微米纳米双重结构;其二是表面有一层生物蜡状物质。荷叶的表面具有很多微米级的蜡质凸起结构,在每个微米级凸起的表面又生长了许多纳米结构,形成很多微纳米尺寸的小空间,这些小空间里充满了空气,形成一个一个小气室。水滴在荷叶表面由于表面张力的作用会形成毫米级的球形水珠,不能够进入尺寸更小的小气室,只能在一个个小气室顶端滚来滚去,这些小气室对球形水珠起到物理支撑作用。荷叶表面还覆盖一层生物腊状物质,它是一种低表面能物质,具有疏水作用。荷叶表面的微纳米结构和低表面能生物腊物质相互协同作用,使球形水珠与荷叶表面产生了排斥性,导致荷叶表面具有超疏水性能。此外,球形水珠在荷叶表面可以自由滚动并能带走灰尘,即荷叶具有自清洁功能,使荷叶能够出淤泥而不染。