将一杯浓盐水持续加热蒸发，过一会儿就会陆续出现晶莹的小颗粒——这是我们熟悉的无机物结晶过程。浙江大学化学系唐睿康教授团队在尝试“暂停”这类结晶过程时，“截获”到一种特别的最初产物——无机离子寡聚体。神奇的是，寡聚体能像高分子材料一样交联聚合起来，进而能形成连续的、大块的无机材料。这意味着，无机材料有望像塑料制品一样整体成型，并变化出各种复杂造型。
相关论文于10月16日刊登在Nature上，第一作者是刘昭明博士。研究团队还尝试用这一方法成功修复了碳酸钙单晶、海胆刺和人体牙釉质等无机材料。学界认为，这一方法创造了“无机离子聚合”这类新型的反应体系，跨越了无机化学与高分子化学的分界，预示着无机材料将以崭新的结构与性能走进人类生活。
结晶过程的“暂停键”从自然界恢弘奇幻的石灰石溶洞，到让人恨之入骨的肾结石，溶液中的成核结晶现象无处不在，也包含着关于晶体生长的共同秘密：溶质从离子状态到成核结晶，中间状态是怎样的？多年来，尽管有科学家提出过一些假说与理论，但始终没有直接观测证据。“我们想办法把‘中间状态’稳定住，再来研究它。”三年前的一个下午，唐睿康和刘昭明讨论起这个问题，但两人的思路不一样。
几天以后，刘昭明跑来告诉导师，“暂停键”找到了——一种叫三乙胺的小分子非常好用。刘昭明说，三乙胺能与碳酸根离子通过氢键发挥“封端”作用；同时又很容被去除，克服高分子包裹法的硬伤。三乙胺的加入，让“平铺直叙”的结晶过程变成了一场“赛跑”：溶液中的碳酸根离子既能与钙结合，又能与三乙胺结合，那么谁的速度更快？
最终结果是，几个碳酸根离子刚和几个钙离子形成一个“短链”，三乙胺就上来“封”在碳酸根离子的一端，让它无法再与下一个钙离子结合——于是，溶液中充满了被三乙胺“封”住的碳酸钙“短链”，科学家将其称为“寡聚体”。
“寡聚体”的概念来自于高分子化学，它是指少量单体组成的重复单元，可以和单体一样，交联聚合形成连续稳定的网络结构。塑料、橡胶等就是由单体或者寡聚体交联聚合而来的高分子。
“它们具有连续的结构，比如一个塑料脸盆，可以看做是一个大的分子。”唐睿康说，由于方便制造和具有一定的强度，塑料与橡胶等已经成为我们生活中不可缺少的材料。相比之下，通过溶液结晶法制备的无机材料则显得单调，它们往往以大量无序的微小的晶体粉末面貌出现，很难制造出连续结构。
“无机离子寡聚体”的出现，让科学家看到了无机材料“转型”的希望，一旦去掉溶液中的三乙胺，短促的“碳酸钙寡聚体”就会相互交联聚合起来，形成一个连续结构。通过这一方法，唐睿康团队首先制备了由碳酸钙寡聚体交联而成的无定形块体，在实验室里，尺度可以很方便地达到一厘米左右。通过引导结晶，无定形块体内部会进一步形成有序的结晶结构，进而还能够形成单晶。
“这个方法很有意义，在复杂形状构建或材料修复方面会很有优势，你们能否做到？”Nature编辑对这项研究产生了好奇。一次在饭店吃海鲜，刘昭明把海胆的壳带回了实验室，海胆的刺的主要成分是碳酸钙并且具有特定的多级有序结构，研究人员在受损的海胆刺上使用了碳酸钙寡聚体材料，并实现了完美修复。不仅如此，研究团队还实现了牙釉质修复和碳酸钙单晶的修复。
“在无机离子的寡聚体阶段，材料就像沙子，具有一定的流动性，此时易于形成各种造型；而当它们交联成有序的无机离子高分子，这种材料就具有连续性，并具有一定的强度。”唐睿康说。目前，人类已经能模仿天然橡胶做出人造橡胶、塑料等各种性能、形状丰富的高分子材料；而无机材料的应用场景有很大局限。而大自然是运用无机材料的高手，它向展示许多无机材料连续成型的精美作品：牙齿、骨骼……支撑起一个千变万化的自然世界。
在印度洋浅海的海底，生活着一种叫海蛇尾的海星近亲，哈佛大学的科学家曾经发现，它浑身上下遍布的“眼睛”竟是一整块连续的碳酸钙材料。人类也能做出这样宏观连续又精致材料的材料吗？“我们提供了一种方案，并且看到了曙光。”唐睿康说。