关键词：硫辛酸，碳酸钙低聚物，TA-CCO 杂化分子，有机-无机杂化分子

Organic–inorganic covalent–ionic molecules for elastic ceramic plastic

Nature volume 619, pages293–299 (2023) 

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06117-1

一、研究背景与设计思路

传统材料存在性能瓶颈：无机陶瓷通过离子键结合，虽具备高硬度与高强度，却因脆性大而无法发生塑性形变；有机高分子依靠共价键结合，虽拥有优异的弹性、韧性与可塑成型能力，硬度与刚度却相对不足。长期以来，有机共价体系与无机离子体系的成键特性差异显著，难以在单分子尺度实现融合，这也成为高性能有机-无机杂化材料研发的核心瓶颈。

本研究突破传统复合思路，采用自下而上的分子设计策略，将典型有机共价结构与无机离子结构整合到同一分子中，构建出全新的有机-无机共价-离子杂化分子。借助该分子的双重反应活性，构筑共价-离子互穿双连续网络，最终制备出同时兼具陶瓷硬度、橡胶弹性与塑料可反复塑形能力的新型弹性陶瓷塑料，实现了矛盾力学性能的一体化集成。

二、杂化分子与材料制备

1. 核心原料与杂化分子合成

以硫辛酸（TA，有机共价组分）和碳酸钙低聚物（CCO，无机离子组分）为基础单元，通过酸碱反应完成分子偶联，得到TA-CCO杂化分子。

2. 宏观材料成型工艺

将TA-CCO杂化分子置于120℃加压条件下处理：杂化分子的有机硫辛酸片段与无机碳酸钙低聚物片段分别发生聚合交联，各自形成共价网络与离子网络；两个网络通过TA-CCO分子相互连接、贯穿，最终形成整体连续的共价-离子双连续网络宏观材料，命名为poly(TA–CCO)，即弹性陶瓷塑料。

三、结构作用机制

1. 双网络协同结构

有机相形成的共价网络保障材料基础结构的稳定性与可塑性；无机相形成的离子网络赋予材料陶瓷级硬度与强度。两大网络相互贯穿、紧密耦合，从分子尺度消除有机/无机界面缺陷，与传统简单物理共混材料形成显著区别。

2. 动态键合增韧与可逆塑形

体系内存在两类动态可逆键：离子网络中的Ca²⁺−CO₃²⁻离子键、有机网络中的S–S二硫键。在外力作用下，动态键可发生断裂与重构，耗散形变能量，使材料具备橡胶般的抗形变能力与回弹性能；同时，动态键的可逆特性让材料拥有类似塑料的二次加热重塑、反复加工能力。

四、材料核心性能

该弹性陶瓷塑料实现了三类经典材料优势性能的统一，突破单一材料的性能局限：

1. 陶瓷特性：具备高硬度与高机械强度，克服了传统有机高分子硬度偏低的问题；

2. 橡胶特性：拥有优异的弹性与抗弯折能力，形变后可快速回弹，彻底解决了陶瓷脆性断裂的缺陷；

3. 塑料特性：可通过热诱导实现重塑与模塑加工，能够多次成型，加工灵活性远优于传统无机陶瓷。

此外，材料整体热稳定性良好，动态键与双网络结构在常规使用温度下可稳定保持综合力学性能。

五、思路借鉴

这种分子级杂化设计思路可延伸至更多有机分子（如脂肪酸、巯基有机物等）与无机离子簇（如磷酸盐、硅酸盐低聚物等）的组合，用于开发具有不同功能与力学特性的新一代有机-无机杂化材料。

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