（本地）“卧薪”20年 兰大这个科研团队打破学科“魔咒” 3.3纳米的刚玉颗粒

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李建功指导学生进行实验。李建功指导学生进行实验。研磨前后，团队采用最新的制备方法，得到圆形细晶粒氧化铝纳米晶陶瓷。“我”是谁？“我”属于材料家族的一员，比塑料更坚韧，比木头更光滑，比金属更耐腐蚀、抗氧化、耐高温；我是现代社会生产生活中最常用的三种材料之一——陶瓷。

氧化铝陶瓷是我们家最常用的陶瓷之一，综合性能最好，价格最低。α氧化铝又称刚玉，是块体氧化铝热力学中最稳定的一种。

就像没有人是完美的一样，“我”也有自己的弱点。你嘴里的“碰瓷”“瓷娃娃”不都在说我脆弱脆弱吗？

但是，你可能很久都吐不出来。“我”听说兰州大学物理科学与技术学院李建功教授的团队在20年内开发出刚玉纳米粒子作为制备韧性氧化铝陶瓷的原料，这一成果最近发表在国际顶级学术期刊《科学》上。

在未来，我的新一代，刚玉纳米颗粒，可能会用于坦克，飞机引擎，车床刀具，你的一颗牙齿和肿瘤治疗。

你敢开始吗？如果国际当局否认

这篇综述起源于2019年10月，当时李建功看到了一位著名科学家在催化和材料科学研究领域的论文。论文报道，该团队成功研制出比表面积为140 m 2/g、平均粒径为13 nm的刚玉纳米颗粒；据称还没有制备出比表面积大于100㎡/g的刚玉纳米颗粒。然而，纳米陶瓷颗粒领域的共识是，比表面积越大，颗粒尺寸越小，催化性能越好，通过致密化获得的陶瓷性能越好。

李建功对他的团队在2015年至2018年间开发出尺寸小于5纳米、比表面积为161平方米/克至253平方米/克的刚玉纳米粒子感到有些困惑。是否要否定某权威“大神”在高比表面积催化材料领域的研究结论？经过三个多月的反复思考，他终于下定决心，对科学抱着负责任的态度，用自己团队的成果否定了科学家团队的结论。

最近，李建功团队的一篇评论文章发表在《科学》杂志上，报道了该团队开发的三种有效的准备方法。制备的刚玉纳米粒子比表面积高于100㎡/g，也高于另一个团队报道的140㎡/g。评论还指出，对方的材料实际上是30-200纳米的硬聚集体，而不是13纳米的纳米粒子，并分析了它们颗粒粗糙但比表面积高的原因。

这是李建功的团队第二次挑战发表在《科学》杂志上的内容。他关于刚玉纳米颗粒的故事将从23年前开始。

1997年，刚刚因科研成果被誉为教授的李建功偶然读到普林斯顿大学纳夫罗茨基团队发表在《科学》杂志上的一篇论文，其中说:当比表面积高于100㎡/g或粒径小于15 nm时，α氧化铝(刚玉)成为热力学不稳定相，成为制备刚玉纳米颗粒的瓶颈和“魔咒”，这是许多人多年来一直尝试而无法突破的。当时他就有了打击刚玉纳米颗粒的动机和决心。春天去了秋来，赶走了第20班的学生。李建功带领团队，离开了7000多个日日夜夜。

这条没人走的路有什么难度

如果想得到15纳米以下更小的刚玉纳米颗粒，有人可能会说，直接粉碎就好了。这有什么难的？

但你不知道的是，当刚玉纳米粒子的尺寸小于15纳米时，每一个粒子都因其高表面能而成为一个活跃的“熊海子”，并“抱在一起”。它们离得很近，拉不开，技术上叫烧结或硬团聚。科学家不能“拉”它们，不能得到分散的颗粒，也不能用来制作性能优异的氧化铝陶瓷。

这条“死路”研究了20多年，李建功总结如下:

“多喝水，多喝水，多吃面条。从1998年到2003年，我们尝试了前人所有可能的方法，发现它们一旦变成α相，就会凝聚成大颗粒。看来科学说的可能是真的。”李建功说:“从2003年到2008年，我们逐渐提出了通过第二相涂层来降低刚玉表面能的想法，或者为刚玉纳米颗粒在非平衡条件下的形成提供足够的能量。”

在李建功口中，“第二相包覆降低表面能”是指刚玉纳米颗粒在形成时被另一相包裹，使刚玉纳米颗粒的自由表面成为与另一相的界面，通过选择合适的第二相可以使其表面能低于刚玉的表面能。

“就像疫情期间的居家隔离。”如果把15 nm以下高表面能的刚玉纳米粒子比作“熊海子”，而这些爱凑在一起的“熊海子”在疫情期间被孤立在家里，他们就不能抱团吗？但是隔离阶段应该用什么呢？这是第一个问题。

通过观察可以发现，在日常生活中，一条河流的上游大多是大石头。中游由于水流冲刷，石块碰撞破碎成小卵石，下游碰撞冲刷形成较小的细砂。在实验室中，研磨刚玉纳米颗粒的行星球磨机就是利用这一原理，通过硬球的冲击，将刚玉粉碎成纳米大小的颗粒。

就像不同大小的岩石、卵石、砾石会在河水的冲击下产生一样，球磨机收集的刚玉纳米陶瓷颗粒的大小也会有很大的差异。当它们混合在一起时，如何分别收集大小相近的颗粒？这是第二个问题。

在黑暗中探索这条路终于来了

打开这篇由李建功的科学团队发表的文章。作者栏目与:、蒲三旭、曹、、郭瑞云并列。最后四位是李建功2010年至2013年的博士生或硕士生。“每个人都有重要的贡献。”李建功说。

一开始虽然有想法，甚至是正确的想法，但是效果并不理想。从2008年到2013年，许多研究生根据李建功的想法做实验，但只得到超过15纳米的粒子。

2013年6月的一天，濮三旭将离心分离后的离心清液倒入用过的废盐酸烧杯中，原来的清废液突然变成乳白色。没想到这次意外成为团队科研突破的重大转折点。

蒲三旭兴奋地说:“原来李先生的思路是对的。加入盐酸，粒子表面的双电层被破坏，这些微小的纳米粒子全部沉淀。既然浓盐酸也可以沉降所有不同大小的纳米颗粒，那么如果使用不同浓度的盐酸，是否可以沉降不同大小的纳米颗粒？”实验证实了这一猜想，这种方法被称为“分级聚沉法”。

2013年前后，团队不仅打通了这条路，而且在李建功的带领下，兰州大学材料科学与工程专业的四名研究生也探索了几种制备精细刚玉纳米颗粒的方法。

这将需要20年才能产生结果，我们将在未来继续下去

“十多年来，我一直在黑暗中行走，有时甚至看不到黎明。我很茫然，学生随时都想放弃，有时候不知道自己是怎么坚持下来的。”李建功回忆道。

从1998年几百纳米的刚玉硬团聚，到2017年球磨工艺改进，团队真正分离出4.8纳米大小、纯度99.96%的刚玉纳米颗粒。这一进展用了近20年时间，李建功团队在刚玉纳米粒子方向真的达到了世界最高水平。

因为世界上很少有人从事刚玉纳米粒子的研究，这种孤独的事业往往被忽视。2015年，李建功的团队将“分散的、精细的、均匀的、平均粒径小于10纳米的等轴α氧化铝纳米粒子”投入到科学研究中，这是经过多年努力才取得的成果，但结果遭到了拒绝。“也许我们的手稿在亮点和理论分析的深度上还存在不足，所以虽然当时已经是世界上最先进的水平，但还是没有被接受。”结果最终发表在《自然》杂志《科学报告》上。

20多年来，每天工作16小时，没有周末，这是李建功和他的学生们的普遍工作状态。他让学生先做，于是被戏称为“我们学院最严格的老师”。

这样，团队从几百纳米到30纳米，再到20纳米，然后偶尔看到15纳米的粒子，最后达到3.3纳米。

刚玉纳米颗粒的成功制备表明，可以制备热力学不稳定的纳米颗粒，为其在催化、医药、复合材料、磨料等领域的应用提供了可能，也为韧性氧化铝纳米晶陶瓷的研发奠定了基础。以后说不定你手里的纳米陶瓷杯掉在地上就不碎了；如果在车床的高耐磨刀具表面涂覆纳米刚玉颗粒，“削铁如泥”将成为现实…

兰州日报全媒体记者严/地图