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  中新网兰州11月29日电 (记者 丁思 李亚龙)“如果让我选择,在黑暗中摸索,或者走一条光明大道,我想走一条没人走过、没人想过的路。我不害怕在黑暗中摸索,没有黑暗也就没有光明。”兰州大学物理科学与技术学院李建功教授团队用20年时间,研制出制备韧性氧化铝陶瓷的原料——刚玉纳米颗粒,他接受记者采访谈及他所认为的“科研的美妙之处”。

图为李建功指导学生。受访者供图
图为李建功指导学生。受访者供图

  与陶瓷“较劲”,黑暗中摸索20年

  之所以钟情于陶瓷研究,在李建功看来,“这是中国人最为宝贵的文化”。“中国的陶瓷技术在历史上享誉世界,china用作陶瓷的英语也可以显示出,陶瓷就是中国的标志。”李建功说,希望再次复兴陶瓷文化是他研究陶瓷的“文化”情怀;其次,陶瓷在生活中的广泛应用性,有着耐高温、耐腐蚀等诸多优点,但“脆弱易碎、韧性不足”是它的致命弱点。

  陶瓷,属于材料家族的一份子,比塑料硬朗,比木头光滑,比金属耐腐蚀、抗氧化、耐高温;在人们的生活中无处不在,也是现代社会生产生活最常用到的三大材料之一。

  氧化铝陶瓷是“陶瓷家族”中综合性能最好、价格最低、最常用的陶瓷。阿尔法氧化铝,也叫刚玉,是大块氧化铝热力学上最稳定的一种。

  1997年,本科期间学习金属材料,80年代师从国际著名材料科学家、纳米材料研究领域开创者、德国科学院院士赫伯特·格莱特教授的李建功,无意间看到《Science》发表的普林斯顿大学Navrotsky团队的一篇论文,上面写道:阿尔法氧化铝(刚玉),当比表面积高于100㎡/g,或颗粒尺寸小于15纳米时,成为热力学非稳定相,这成为了刚玉纳米颗粒制备的瓶颈和“魔咒”,很多人尝试多年都无法突破。

  “《Science》否定了的方向肯定是很难突破的,通常人不会选择,这对我来说就是一个无人竞争的好机会,我不需要和他人比速度。更重要的是,如果开发出刚玉纳米颗粒,这件事本身就非常有价值。哪怕最后我失败了,失败本身也是一种成果。”李建功的“逆向思维”,让他决定与刚玉纳米颗粒“死磕”。

  春去秋来,送走20届学生,李建功带领团队一走就走了7000多个日夜。

图为李建功指导学生进行实验。受访者供图
图为李建功指导学生进行实验。受访者供图

  打破学科“魔咒”,解决卡脖子难题

  当刚玉纳米颗粒尺寸小于15纳米时,每个颗粒因为表面能过高而就变成了一个个活跃的“熊孩子”,在一起“抱团儿”。它们“亲密无间”,怎么拽也拽不开,专业术语称之为烧结或硬团聚。科学家们怎么“拉扯”它们也“扯”不开,得不到分散的颗粒,也就不能用来制造性能优异的氧化铝陶瓷,这也成为了刚玉纳米颗粒制备的瓶颈和“魔咒”。

  1998年至2003年间,李建功笑言,是团队“验证别人观点都是正确的5年”,他们尝试了此前研究者提出的各种方法,都行不通,看来《Science》那篇文章说的可能是真的。

  2003年至2008年,李建功带领学生通过第二相包覆来降低刚玉表面能,或者提供充足能量让刚玉纳米颗粒在非平衡条件下形成。2008-2013年间,多名研究生按照李建功的思路做实验,却只得到了15纳米以上的颗粒。

  10多年过去了,仍旧没有打破“魔咒”,团队里有不少学生放弃。2013年6月的一天,李建功的研究生蒲三旭随手将离心分离后看似清澈无物的离心清液倒入用过的废盐酸烧杯中,原本清澈的废液突然变浑浊,没想到这一次意外竟成为了团队科研突破的重大转折点。

  用不同浓度的盐酸让不同尺寸的纳米颗粒沉降的“分级聚沉法”、共沉淀-煅烧-选择腐蚀法、球磨法……就这样,团队从几百纳米做到30纳米、再到20纳米,再到偶尔见15纳米的颗粒,最终做到3.3纳米。

  这一进步用了近20年,李建功团队真正在刚玉纳米颗粒方向达到世界最高水平。

  加强国际合作,冀复兴中国陶瓷技术

  李建功团队不断改进制备方法、分离工艺,获得尺寸更小、比表面积更高、尺寸分布更窄的分散、超细、等轴刚玉纳米颗粒。该项进展在2020年5月29日国际顶级学术期刊《Science》以评论文章形式发表,引发世界关注。

  “困扰这么多年的难题,竟然是关于化学的问题,如果我早一点请教化学相关的同行,可能会提前突破这个卡点。”20多年在黑暗中的摸索,也让李建功更加明白,“国际合作非常重要。”

  以分散、超细、等轴刚玉纳米颗粒为原料,煅烧出致密度99.5%和平均晶粒尺寸30纳米的氧化铝陶瓷,其韧性比常规多晶氧化铝陶瓷高60%。

  目前,团队正在以超细刚玉纳米颗粒为原料,与国内外合作,通过超高压热压技术,朝着致密度99%以上和平均晶粒尺寸15纳米以下的超细晶氧化铝纳米晶陶瓷发起冲击。

  近日,麻省理工学院、兰州大学、宾夕法尼亚大学等机构科研人员合作,在块体纳米晶和超细晶材料领域取得重要进展,首次提出“超均匀纳米晶材料”的概念,并进行了系统的理论分析和实验论证。

  让李建功欣喜的是,就在前几日,导师赫伯特·格莱特被聘为兰州大学兼职院士,这也是兰州大学历史上选聘的第一位外籍双聘院士。

  格莱特院士将在兰大促进材料、纳米科技及相关学科的发展,指导青年教师、培养研究生;以适时开设前沿讲座、选修课程形式,开展前沿科学介绍和研究理念指导;推动相关领域人员深度开展国际合作。

  “如果有一天,我们把纳米陶瓷也做到世界第一,那么也是为复兴中华文化贡献了自己的力量。”李建功心中复兴中国陶瓷文化至世界领先的梦想越来越近了。

  在未来,也许你手中的纳米陶瓷水杯掉在地上不会摔碎;将纳米刚玉颗粒涂在车床高耐磨度刀具表面,“削铁如泥”就会变成现实。(完)

【编辑:白嘉懿】



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