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俞书宏课题组两篇Nano Research

本篇文章版权为俞书宏院士课题组所有,未经授权禁止转载。


一、微纳多尺度纤维素基防火隔热“粘土”

背景介绍

人类的生活质量与建筑材料密切相关。除了作为结构支撑的基材外,各种形式不同的附加材料,如油漆、泡沫、防火板材等,也被广泛使用来提升建筑的性能,特别是节能和消防安全性能。传统的防火隔热材料形式固定,同时由于其复杂的成分,不利于统一的废弃处理和回收,会造成较高的环境成本。因此,开发组分相对简单、综合性能优异的建筑材料至关重要,它能适应实际应用场景的多样化,同时在一定程度上降低环境和人工成本。

成果简介

本工作以尺度匹配的微米纤维素纤维和中空玻璃微球为主要骨架,通过将更小尺度的纤维素纳米纤维作为“粘结剂”,制备了具有多尺度结构的纤维素基“粘土”材料。这种纤维素基粘土具有低密度、高强度、导热系数低、耐火阻燃等特点。同时得益于纳米纤维素独特的流变性能和多层次的三维网络结构,该纤维素基粘土材料可以以不同的形式实现应用。这种复合材料可以用作涂料、3D打印油墨,也能通过调整其含水量来直接揉捏成型。这种组分明确,形式可调控,可多场景应用的粘土材料可以简化高性能建筑材料的形式和组成,便于材料的废弃物处理,有利于可持续发展。

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课题组简介

课题组主页:http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/


Yin C-H, Yang H-B, Han Z-M, et al. Multiscale cellulose-based fireproof and thermal insulation gel materials with water-regulated forms. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5166-9.

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二、利用稳定同位素分馏现象分析镁调控的碳酸钙矿化过程

在生物体内,多种无机矿物发挥着重要的生理功能,如珊瑚、骨骼、牙齿等。这些生物矿物因其独特的成分、复杂的结构和优秀的性能,具有重要的科研价值。其中,碳酸钙就是一种常见的生物矿物。研究发现,碳酸钙的生物矿化过程不同于普通的“成核-生长”过程,是一种非经典过程。其涉及到无定形碳酸钙中间体到多种碳酸钙晶型的复杂矿化过程,以及多种有机、无机添加物对这一过程的调控。其中Mg元素对于调控矿化产物有着非常明显的效果。然而非经典矿化过程分为多个阶段,Mg元素在每个阶段中的具体作用仍然有待深入探索。

近日,中国科学技术大学俞书宏院士团队与黄方教授团队合作,利用镁同位素分馏特征,解析了Mg调控的碳酸钙非经典矿化过程中的矿化机理,同时也探明了镁元素在其中的作用。这一系列发现为分析非经典矿化过程提供了一种基于同位素分馏分析的工具,这对精准控制矿化产物的形貌和物相有着重要的意义。

同一种元素的同位素因原子量不同,在物理化学性质上会有微小的差异,因此在物理、化学变化过程中,一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的丰度分配会产生差异,这被称为同位素分馏现象。这一现象已经广泛地应用于地质学过程的分析之中。在本工作中,研究者们使用镁元素调控碳酸钙的矿化过程,运用镁同位素分馏的现象来分析这一过程,结果如图1所示。δ26Mg代表了样品中24Mg和26Mg两种同位素的比例,其在反应的不同阶段,以及初始添加了不同量Mg的反应之间有明显的差别。这说明Mg元素经历了不同的化学过程。


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图1 不同Mg浓度调控下的碳酸钙矿化过程中,产物中δ26Mg值的变化情况。

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图2 低Mg和高Mg情况下碳酸钙矿化产物的晶型和形貌变化数据

通过传统的X射线衍射和扫描电子显微镜分析可知(图2),反应的初始阶段,产物为无定形碳酸钙。而Mg添加的少,其最终矿化产物为方解石;Mg添加的多,矿化产物会先变为含水碳酸钙,最终成为文石。结合同位素分馏的结果,对低Mg和高Mg情况下碳酸钙的矿化机理和Mg元素的作用可以分析出更多的信息:(1)对于不同的反应条件,δ26Mg的值在无定形碳酸钙阶段几乎一致,这说明在此时镁元素在产物中所处的化学环境基本上是相同的,产物很可能是无定形碳酸钙与碳酸镁的混合物。(2)低Mg情况下,δ26Mg迅速减小并保持稳定,说明无定形碳酸钙转变为方解石是“溶解-重结晶”过程。(3)高Mg情况下,Mg的存在阻碍了方解石的结晶,使无定形碳酸钙转变为含水碳酸钙,而样品中δ26Mg逐渐接近于原料MgCl2中的值,说明样品同溶液中存在物质交换,即矿化为文石的过程是固态的相转换,Mg元素促进了这一过程。整个Mg调控的碳酸钙矿化过程机理示意图如图3所示。通过对同位素分馏现象的分析,可以更加深入地了解碳酸钙矿化的机理,从而进行更加精细准确的调控。


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图3 Mg调控的碳酸钙矿化过程机理示意图。


Ju Y-M, Huang F, Ding X, et al. Phase transformation-induced Mg isotope fractionation in Mg-mediated CaCO3 mineralization. Nano Research, 2022, https://doi.org/10.1007/s12274-022-5171-z.

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