這是一種肉眼看上去似“土”的物質，它細緻柔軟，有滑感，用舌頭舔一下能感覺到強烈的粘舌感。若把它放進水裡，就會發出“吱吱吱”的聲音。到上世紀 30 年代，經研究證實它的結構和成分後，確認為是特殊的層鏈狀黏土礦物，自此它有了 2 個“名字”，熱液成因的取名坡縷石，沉積成因的取名為凹凸棒石。

圖 | 凹凸棒石原礦

因規模化應用主要以沉積成因為主，近年來，凹凸棒石一詞頻繁出現在不同媒體上，引起了人們的廣泛關注。作為大自然賜予人類的一種效能獨特的天然奈米結構材料，但在過去凹凸棒石多被當作“土”來用。

而現在，凹凸棒石已經實現了從礦物原料到奈米材料的華麗轉身，並在抗菌材料、能源材料、分離材料、潤滑材料、雜化顏料和 3D 列印等研究方面得到高度關注。

圖 | 凹凸棒石雜化顏料及 3D 列印應用

凹凸棒石具有獨特的一維棒晶形貌和孔道結構，這使其具有優良的吸附、膠體、載體和增韌補強等效能。獨特的結構使其廣泛應用於食品、化工、建材、造紙、醫藥、農業、環保和國防等諸多領域。

圖 | 凹凸棒石形貌和結構示意圖

用於大豆油和棕櫚油脫色的凹凸棒石廢土，煅燒處理後可形成凹凸棒石/生物炭複合材料，將其用於土壤修復可“固定”重金屬。

圖 |凹凸棒石/生物炭複合材料典型形貌

以中國科學院蘭州化學物理研究所甘肅省黏土礦物應用研究重點實驗室主任王愛勤研究員為代表的研究團隊，攻克了凹凸棒石產業發展的世界性難題———實現了凹凸棒石棒晶束高效無損解離，助力了我國凹凸棒石應用水平實現從“跟跑”到“引領”的角色轉變。

圖 | 王愛勤主任

“考大學執著，做科研執著，人生執著，我這輩子不會再改變研究方向。按照自己的方向去做，時間會給出答案。”王愛勤因一次偶然的機會結緣凹凸棒石，此後一直在凹凸棒石領域從事深度研究。2020 年他獲何梁何利科學與技術創新獎、第二屆全國創新爭先獎和首屆“隴原最美科技工作者”稱號，在接受 DeepTech 採訪時，他表現出了對科研選擇的堅定與執著。

圖 | 何梁何利科學與技術創新獎

挖掘凹凸棒石奈米結構效能，綠色化構築礦物功能材料

近年來，奈米技術已經在物理、化學、材料及生命科學領域得到廣泛研究和應用，凹凸棒石作為天然的奈米結構材料，隨著從事研究的人越來越多，凹凸棒石的獨特效能被進一步挖掘，凹凸棒石奈米功能材料研究也取得了長足進展。

圖 | 從黏土礦物到奈米材料專著

以往來看，凹凸棒石主要應用於脫色劑、乾燥劑等傳統產品。近幾年，透過技術的不斷創新，凹凸棒石已開啟在文物保護用雜化顏料、動物安全養殖用飼料新增劑和抗菌材料等新興領域的應用。

圖 | 花青素/凹凸棒石奈米雜化顏料及其智慧變色效能

研究過程中，在凹凸棒石棒晶束無損解離基礎上，他們創新性地開發了多種功能材料應用。基於對凹凸棒石基本理化效能和無機顏料呈色機理的認知，利用綠色清潔的機械力化學法構築了具有尖晶石型礦物雜化顏料，揭示了礦物組分對晶體結構的摻雜機制和對顏料顏色的調控機理，賦予了凹凸棒石耐候性、智慧變色和自清潔等效能，從而滿足不同應用領域對礦物顏料的個性化需求。

圖 | 鉍黃/凹凸棒石奈米雜化顏料及其自清潔效能

黴菌毒素是黴菌在生長繁殖過程中產生的有毒次級代謝產物。我國畜禽飼料的黴菌毒素汙染現象較為嚴重，導致畜牧業經濟損失。吸附“固定”法是目前去除毒素最有效的方法之一。他們開創性地利用凹凸棒石棒晶束“拆”與“裝”的原理，實現了對毒素的定向吸附，而對飼料中的礦物質、維生素等營養成分幾乎沒有吸附。

圖 | 凹凸棒石黴菌毒素吸附劑

我國作為世界第一飼料生產和養殖大國，動物安全養殖關乎民生食品安全。2020 年 7 月 1 日我國全面禁抗，對替抗產品需求迫切。凹凸棒石有一定的殺菌功能，為了進一步提升抗菌和促生長效能，他們發展了納米材料天然抗菌物質遞送系統。在構築複合材料基礎上利用凹凸棒石組裝植物活性成分，形成 3 重釋放效應,賦予 pH 響應性，在腸道定向釋放活性物質。該成果與企業合作已實現產業化生產。

圖 | 凹凸棒石奈米複合抗菌材料及其抗菌機理

目前王愛勤團隊致力於綠色法構築凹凸棒石功能材料，在賦予功能性的同時，儘可能減少對環境帶來的汙染。

高值利用混維凹凸棒石，全方位實現資源有效應用

我國凹凸棒石主要產於江蘇、安徽和甘肅三省，探明總儲量居全球之首。隨著高品位優質資源不斷減少，伴生礦的利用成為關切的焦點。近年來，國內學者從不同角度研究了雜色混維凹凸棒石的資源分佈、礦物組成和理化性質，但對雜色混維凹凸棒石利用關鍵共性科學和技術問題關注不多。

圖 | 雜色混維凹凸棒石原礦

王愛勤團隊基於“以色制色”策略，首先直接以雜色和紅色凹凸棒石構築了鐵紅雜化顏料。研究表明，混維凹凸棒石鐵紅雜化顏料具有更優的顏色效能，黏土礦物中的 Al 元素有助於提升鐵紅雜化顏料顏色效能，雜化顏料具有良好的耐熱性和耐酸鹼性。

如何轉白和實現伴生礦物綜合應用，是雜色混維凹凸棒石具備功能導向規模化工業應用的前提。在溼法轉白凹凸棒石研究基礎上，王愛勤團隊開發了半乾法凹凸棒石轉白工藝，近來他們又開發了微波轉白工藝。研究表明，轉白後伴生伊利石等礦物的混維凹凸棒石在塑膠和橡膠等增韌補強方面有更好的效能。

圖 | 磚紅色混維凹凸棒石轉白樣品

為了實現工藝過程綠色化，他們利用轉白後洗滌液中含有的金屬離子，製備了層狀雙氫氧化物材料（LDH）。將其用於染料和抗生素有機物的吸附，然後將吸附劑直接透過無氧煅燒法，製備了礦物生物炭材料，最終用於土壤改良，踐行了“源於自然、用於自然、融於自然”的理念。

圖 | 利用混維凹凸棒石溶出金屬離子構築 LDH 材料

黏土礦物大多都伴生石英砂。為了全方位地利用礦物資源，將其“吃幹榨淨”，將石英砂活化後利用機械力化學法構築了鈷藍雜化顏料。該成果為黏土礦物伴生石英砂的利用提供了新思路。

圖 | 利用分離出的石英砂構築雜化顏料

源於好奇心與執著，這個“土”很有“味道”

2000 年是王愛勤人生的轉折點。

當時，一位企業家拿了塊甘肅臨澤的凹凸棒石礦，找到時任已是科技處長的王愛勤，並介紹說，這個黏土礦能作為保水劑使用，這引起了正在做有機無機複合保水劑研究的王愛勤的興趣。經過查閱大量資料，王愛勤發現這一黏土礦物並不簡單，值得深入研究，於是 2003 年便決定全身心地投入其中。

圖 | 凹凸棒石的“凹”與“凸”

這是一種具有奈米結構的礦物，作為物理化學背景的科研工作者，正是凹凸棒石的獨特結構吸引他及團隊開啟了坐“冷板凳”的研究過程。

圖 |新聞聯播節目中介紹有機無機複合保水劑

在凹凸棒石複合保水劑產業化後，團隊系統開展了物理和化學法處理凹凸棒石研究，經過 5 年的“打醬油”期後，更加堅定這個“土”很有“味道”，值得去“奮不顧身”。

圖 | 凹凸棒石物理法處理和化學法改性

時至 2008 年，他與團隊正式開啟了溼法凹凸棒石棒晶束有效解離的探索，並最終取得了成功。而這一切都源於好奇心和執著，科學研究需要好奇心驅動。

圖 |王愛勤在京領獎（左二）

王愛勤說：“科學家要有自己的學術追求，但更要有自己的價值追求，就是其研究成果能給人類帶來什麼東西。不要單純追求發表了多少論文、申請了幾項專利、培養出了多少博士，而要追求的是創造了多少社會財富，創造了多少產業價值，創造了多少給普通人帶來的新福利。”

圖 | 首條凹凸棒石自動化生產線

不忘初心和使命，助推產業協同發展

在被問及目前凹凸棒石的產業發展，王愛勤告訴我們說：“我們透過舉辦‘十四五凹凸棒石產業發展重點研發方向暨標準研討會’，促成了江蘇盱眙、安徽明光和甘肅臨澤三地政府形成了依託資源屬性差異化發展的共識，初步建立了凹凸棒石產業成果和資訊共享機制，助推凹凸棒石產業協同發展。”

圖 | 凹凸棒石產業發展研討會

談及凹凸棒石的未來前景，王愛勤認為，凹凸棒石既是傳統產業，又是新興產業，更是戰略性新興產業。這就不是簡單適應市場、滿足市場，而是開拓新的市場、引領新的市場，這就需要重視系統創新。因此需要更多的研究團隊加入到凹凸棒石研究領域，透過學科交叉、平臺聯動，協同創新，拓展凹凸棒石更多的應用。

王愛勤說，“十四五”凹凸棒石研究應加強功能材料產品的工程化技術研究、產品精加工技術和先進工藝開發、產品規模化製造可靠性和工藝穩定控制研究，努力實現功能材料研發、關鍵工藝開發與產品產業化融通創新發展，加強標準化建設，助推凹凸棒石產業高質量發展。

“我時常提醒團隊在經濟結構和社會轉型時期，要逐步具備心理平衡能力，從自滿、焦慮、抱怨、浮躁、急功近利等不利於社會和諧的情節中得以超脫，不忘初心和使命，做好研發和轉化工作。”王愛勤說到。

於一個國家而言，科學是一種素養，而技術是力量，是競爭力。“研當以報效國家為己任，學必以服務人民為榮光”，王愛勤團隊正是秉持著努力踐行“奉獻、友愛、互助、進步”的新時期科學家服務精神，奮力拼搏，無懼風雨，努力爭做重大科研成果的創造者與建設科技強國的奉獻者。