生物有機體可以使用無定形的前體，通過完全的粒子融合產生具有連續結構的無機骨架。由於燒結科技會破壞連續性並限制機械強度，囙此，合成塊狀資料要困難得多。
在此，來自浙江大學的劉昭明&唐睿康等研究者，通過粒子的融合，同時調節結構束縛水和外部壓力，製造了無定形碳酸鈣的無機塊狀。相關論文以題為“Pressure-driven fusion of amorphous particles into integrated monoliths”發表在Science上。
論文連結：
https://science.sciencemag.org/content/372/6549/1466
無機資料，尤其是礦物和陶瓷，在現代社會中發揮著重要的作用，但其塊狀的製造是一個巨大的挑戰。在實踐中，許多無機資料是以粉末形式生產的，然後通過壓制和燒結來鞏固。然而，通過燒結處理，顆粒間的質量運輸往往不足，在塊狀資料內不能實現完全的顆粒-顆粒融合，仍然存在顆粒邊界。由於內部不連續性，燒結無機塊的效能並不理想，特別是在機械強度方面。在自然界中，生物有機體可以產生具有連續結構、形態靈活的無機骨架，這些無機骨架由於其結構一體化而優於人工骨架。越來越多的證據表明，這些生物有機體使用無定形粒子作為前體，進而通過粒子-粒子融合產生骨骼。
受這一生物現象的啟發，研究者認為可以通過在壓力（P）下將其非晶前驅體熔化來製造單片無機資料。然而，之前許多使用非晶礦物相的嘗試（如非晶碳酸鈣（ACC）和非晶磷酸鈣）表明，外部P經常誘導非晶粒子的結晶，而不是粒子-粒子的融合。這些無定形礦物相含有豐富的水，導致中間無定形相在磷作用下溶解和再結晶。
通過控制非晶態前驅體和外部P的含水量（n），可以實現類似生物礦化的粒子融合，這是繼在非晶態相的動態水通道中壓力驅動的質量輸送之後的又一發現。通過使用ACC作為典型的非晶前驅體，研究者在實驗中證明了ACC粒子完全融合的控制，從而形成透明的碳酸鈣整體。塊狀資料的機械強度最佳，硬度H為2.739 GPa，楊氏模量E為49.672 GPa，這些值優於普通水泥資料，幾乎達到單晶方解石的值。
在此，ACC的化學式為CaCO3·nH2O，n≥1。在研究者的實驗中，控制n在0到1.6之間的情况下，合成了平均尺寸為450±100 nm的ACC粒子。研究者證實了含n≥1的ACC粒子在外部P作用下不能結合，這是由於發生了基於相變的結晶，而保持n<1從而能够避免這個問題。在P下的後續壓實處理中，研究者對典型樣品使用了n = 0.7的ACC。通過掃描電子顯微鏡（SEM）下觀察粒子及其邊界（圖1A），研究發現，在P≤0.5 GPa時，研究者沒有觀察到聚變。當P新增到0.8 GPa時，部分ACC粒子開始合併，但仍可以看出其原始的球形形貌。當P新增到1.5 GPa時，顆粒進一步大範圍地團聚，球形消失。在P = 2.0 GPa時，所有ACC顆粒完全聚結，形成連續均勻的塊狀。為了清晰地表達ACC粒子的聚結行為，研究者對其SEM影像進行了二值化處理（圖1A；藍色區域代表未凝聚的粒子）。從0.2 GPa到2.0 GPa，隨著P的新增，結構不連續性逐漸减小，最終，所有單個粒子融合成一個整體。通過使用金納米粒子，確認了納米尺度上的完全聚結（圖1B）。在這項研究中，ACC顆粒表面用金納米顆粒進行了標記（圖1C）。熔化處理後，這些Au粒子從表面“移動”到內部，完全被均勻的ACC相包圍（圖1D）。
圖1壓力下ACC粒子的聚結。
圖2粒子融合對塊體的行為。
圖3壓力處理過程中水團簇的演化。
圖4 ACC中對擴散係數的理解。
綜上所述，該方法不同於經典的燒結方法，因為在燒結過程中需要高溫來改善質量運輸，而這與熱敏資料不相容。研究者的發現集中在固體無機顆粒的內部結構來改善質量運輸，這非常適合於大多數熱敏資料的構建，如生物礦物和生物資料。這種理解，為連續結構資料的建造建立了一種替代策略，使大規模和高效的無機單體製造成為可能。
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