国科大博士生研究生导师王爱勤攻克凹凸棒石国际性产业难题

“以色制色”构筑功能新材料

  • 文/兰州化学物理研究所 图/兰州化学物理研究所 (兰州分院)
  • 创建于 2021-03-04
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       这是一种肉眼看上去似“土”的物质,它细致柔软,有滑感,用舌头舔一下能感觉到强烈的粘舌感。若把它放进水里,就会发出“吱吱吱”的声音。到上世纪 30 年代,经研究证实它的结构和成分后,确认为是特殊的层链状黏土矿物,自此它有了 2 个“名字”,热液成因的取名坡缕石,沉积成因的取名为凹凸棒石。

图 | 凹凸棒石原矿

  因规模化应用主要以沉积成因为主,近年来,凹凸棒石一词频繁出现在不同媒体上,引起了人们的广泛关注。作为大自然赐予人类的一种性能独特的天然纳米结构材料,但在过去凹凸棒石多被当作“土”来用。

  而现在,凹凸棒石已经实现了从矿物原料到纳米材料的华丽转身,并在抗菌材料、能源材料、分离材料、润滑材料、杂化颜料和 3D 打印等研究方面得到高度关注。

图 | 凹凸棒石杂化颜料及 3D 打印应用

  凹凸棒石具有独特的一维棒晶形貌和孔道结构,这使其具有优良的吸附、胶体、载体和增韧补强等性能。独特的结构使其广泛应用于食品、化工、建材、造纸、医药、农业、环保和国防等诸多领域。

图 | 凹凸棒石形貌和结构示意图

  用于大豆油和棕榈油脱色的凹凸棒石废土,煅烧处理后可形成凹凸棒石/生物炭复合材料,将其用于土壤修复可“固定”重金属。

图 |凹凸棒石/生物炭复合材料典型形貌

  以中国科学院兰州化学物理研究所甘肃省黏土矿物应用研究重点实验室主任王爱勤研究员为代表的研究团队,攻克了凹凸棒石产业发展的世界性难题———实现了凹凸棒石棒晶束高效无损解离,助力了我国凹凸棒石应用水平实现从“跟跑”到“引领”的角色转变。

图 | 王爱勤主任

  “考大学执著,做科研执著,人生执著,我这辈子不会再改变研究方向。按照自己的方向去做,时间会给出答案。”王爱勤因一次偶然的机会结缘凹凸棒石,此后一直在凹凸棒石领域从事深度研究。2020 年他获何梁何利科学与技术创新奖、第二届全国创新争先奖和首届“陇原最美科技工作者”称号,在接受 DeepTech 采访时,他表现出了对科研选择的坚定与执着。

图 | 何梁何利科学与技术创新奖

  挖掘凹凸棒石纳米结构性能,绿色化构筑矿物功能材料 近年来,纳米技术已经在物理、化学、材料及生命科学领域得到广泛研究和应用,凹凸棒石作为天然的纳米结构材料,随着从事研究的人越来越多,凹凸棒石的独特性能被进一步挖掘,凹凸棒石纳米功能材料研究也取得了长足进展。

图 | 从黏土矿物到纳米材料专著

  以往来看,凹凸棒石主要应用于脱色剂、干燥剂等传统产品。近几年,通过技术的不断创新,凹凸棒石已开启在文物保护用杂化颜料、动物安全养殖用饲料添加剂和抗菌材料等新兴领域的应用。

图 | 花青素/凹凸棒石纳米杂化颜料及其智能变色性能

  研究过程中,在凹凸棒石棒晶束无损解离基础上,他们创新性地开发了多种功能材料应用。基于对凹凸棒石基本理化性能和无机颜料呈色机理的认知,利用绿色清洁的机械力化学法构筑了具有尖晶石型矿物杂化颜料,揭示了矿物组分对晶体结构的掺杂机制和对颜料颜色的调控机理,赋予了凹凸棒石耐候性、智能变色和自清洁等性能,从而满足不同应用领域对矿物颜料的个性化需求。

图 | 铋黄/凹凸棒石纳米杂化颜料及其自清洁性能

  霉菌毒素是霉菌在生长繁殖过程中产生的有毒次级代谢产物。我国畜禽饲料的霉菌毒素污染现象较为严重,导致畜牧业经济损失。吸附“固定”法是目前去除毒素最有效的方法之一。他们开创性地利用凹凸棒石棒晶束“拆”与“装”的原理,实现了对毒素的定向吸附,而对饲料中的矿物质、维生素等营养成分几乎没有吸附。

图 | 凹凸棒石霉菌毒素吸附剂

  我国作为世界第一饲料生产和养殖大国,动物安全养殖关乎民生食品安全。2020 年 7 月 1 日我国全面禁抗,对替抗产品需求迫切。凹凸棒石有一定的杀菌功能,为了进一步提升抗菌和促生长性能,他们发展了纳米材料天然抗菌物质递送系统。在构筑复合材料基础上利用凹凸棒石组装植物活性成分,形成 3 重释放效应,赋予 pH 响应性,在肠道定向释放活性物质。该成果与企业合作已实现产业化生产。

图 | 凹凸棒石纳米复合抗菌材料及其抗菌机理

  目前王爱勤团队致力于绿色法构筑凹凸棒石功能材料,在赋予功能性的同时,尽可能减少对环境带来的污染。

  高值利用混维凹凸棒石,全方位实现资源有效应用 

  我国凹凸棒石主要产于江苏、安徽和甘肃三省,探明总储量居全球之首。随着高品位优质资源不断减少,伴生矿的利用成为关切的焦点。近年来,国内学者从不同角度研究了杂色混维凹凸棒石的资源分布、矿物组成和理化性质,但对杂色混维凹凸棒石利用关键共性科学和技术问题关注不多。

图 | 杂色混维凹凸棒石原矿

  王爱勤团队基于“以色制色”策略,首先直接以杂色和红色凹凸棒石构筑了铁红杂化颜料。研究表明,混维凹凸棒石铁红杂化颜料具有更优的颜色性能,黏土矿物中的 Al 元素有助于提升铁红杂化颜料颜色性能,杂化颜料具有良好的耐热性和耐酸碱性。

  如何转白和实现伴生矿物综合应用,是杂色混维凹凸棒石具备功能导向规模化工业应用的前提。在湿法转白凹凸棒石研究基础上,王爱勤团队开发了半干法凹凸棒石转白工艺,近来他们又开发了微波转白工艺。研究表明,转白后伴生伊利石等矿物的混维凹凸棒石在塑料和橡胶等增韧补强方面有更好的性能。

图 | 砖红色混维凹凸棒石转白样品

  为了实现工艺过程绿色化,他们利用转白后洗涤液中含有的金属离子,制备了层状双氢氧化物材料(LDH)。将其用于染料和抗生素有机物的吸附,然后将吸附剂直接通过无氧煅烧法,制备了矿物生物炭材料,最终用于土壤改良,践行了“源于自然、用于自然、融于自然”的理念。

图 | 利用混维凹凸棒石溶出金属离子构筑 LDH 材料

  黏土矿物大多都伴生石英砂。为了全方位地利用矿物资源,将其“吃干榨净”,将石英砂活化后利用机械力化学法构筑了钴蓝杂化颜料。该成果为黏土矿物伴生石英砂的利用提供了新思路。

图 | 利用分离出的石英砂构筑杂化颜料

  源于好奇心与执着,这个“土”很有“味道” 

  2000 年是王爱勤人生的转折点。

  当时,一位企业家拿了块甘肃临泽的凹凸棒石矿,找到时任已是科技处长的王爱勤,并介绍说,这个黏土矿能作为保水剂使用,这引起了正在做有机无机复合保水剂研究的王爱勤的兴趣。经过查阅大量资料,王爱勤发现这一黏土矿物并不简单,值得深入研究,于是 2003 年便决定全身心地投入其中。

图 | 凹凸棒石的“凹”与“凸”

  这是一种具有纳米结构的矿物,作为物理化学背景的科研工作者,正是凹凸棒石的独特结构吸引他及团队开启了坐“冷板凳”的研究过程。

图 |新闻联播节目中介绍有机无机复合保水剂

  在凹凸棒石复合保水剂产业化后,团队系统开展了物理和化学法处理凹凸棒石研究,经过 5 年的“打酱油”期后,更加坚定这个“土”很有“味道”,值得去“奋不顾身”。

图 | 凹凸棒石物理法处理和化学法改性 

  时至 2008 年,他与团队正式开启了湿法凹凸棒石棒晶束有效解离的探索,并最终取得了成功。而这一切都源于好奇心和执着,科学研究需要好奇心驱动。 

图 |王爱勤在京领奖(左二)

  王爱勤说:“科学家要有自己的学术追求,但更要有自己的价值追求,就是其研究成果能给人类带来什么东西。不要单纯追求发表了多少论文、申请了几项专利、培养出了多少博士,而要追求的是创造了多少社会财富,创造了多少产业价值,创造了多少给普通人带来的新福利。”

图 | 首条凹凸棒石自动化生产线

  不忘初心和使命,助推产业协同发展 

  在被问及目前凹凸棒石的产业发展,王爱勤告诉我们说:“我们通过举办‘十四五凹凸棒石产业发展重点研发方向暨标准研讨会’,促成了江苏盱眙、安徽明光和甘肃临泽三地政府形成了依托资源属性差异化发展的共识,初步建立了凹凸棒石产业成果和信息共享机制,助推凹凸棒石产业协同发展。”

图 | 凹凸棒石产业发展研讨会

  谈及凹凸棒石的未来前景,王爱勤认为,凹凸棒石既是传统产业,又是新兴产业,更是战略性新兴产业。这就不是简单适应市场、满足市场,而是开拓新的市场、引领新的市场,这就需要重视系统创新。因此需要更多的研究团队加入到凹凸棒石研究领域,通过学科交叉、平台联动,协同创新,拓展凹凸棒石更多的应用。

  王爱勤说,“十四五”凹凸棒石研究应加强功能材料产品的工程化技术研究、产品精加工技术和先进工艺开发、产品规模化制造可靠性和工艺稳定控制研究,努力实现功能材料研发、关键工艺开发与产品产业化融通创新发展,加强标准化建设,助推凹凸棒石产业高质量发展。

  “我时常提醒团队在经济结构和社会转型时期,要逐步具备心理平衡能力,从自满、焦虑、抱怨、浮躁、急功近利等不利于社会和谐的情节中得以超脱,不忘初心和使命,做好研发和转化工作。”王爱勤说到。

  于一个国家而言,科学是一种素养,而技术是力量,是竞争力。“研当以报效国家为己任,学必以服务人民为荣光”,王爱勤团队正是秉持着努力践行“奉献、友爱、互助、进步”的新时期科学家服务精神,奋力拼搏,无惧风雨,努力争做重大科研成果的创造者与建设科技强国的奉献者。

责任编辑:脱畅