团队将氧化铝陶瓷粗料装入磨料盒→用行星式球磨机磨制20小时以上得到纳米级颗粒→装入不同浓度的盐酸中进行分离沉降→将沉淀液放入试管→离心机离心→得到尺寸相近的纳米刚玉颗粒，干燥后得到粉末→将粉末装入模具压制→高温煅烧→得到圆形的细晶氧化铝纳米晶陶瓷

■本报记者 温才妃 通讯员 法伊莎

在刚玉纳米颗粒研究这条路上，李建功一走就是20余年。

如今，在兰州大学物理科学与技术学院，他带领研究团队，站在了该领域的世界最高峰。

就在近日，李建功团队还在《科学》上发表评论文章，以充分的论据，对这家顶刊之前发表的一篇论文结论提出了有力质疑。

两度挑战《科学》权威

事情是这样的：2019年10月，李建功在《科学》上看到一篇德国科学院院士费尔迪·舒特团队的论文。论文称该团队研制成功比表面积140平方米/克、平均颗粒尺寸13纳米的刚玉纳米颗粒，并宣称之前尚无人制备出比表面积高于100平方米/克的刚玉纳米颗粒。

要了解刚玉纳米颗粒，先要了解氧化铝陶瓷。氧化铝陶瓷是陶瓷中综合性能最好、价格最低、最常用的一种。阿尔法氧化铝，也叫刚玉，是大块氧化铝热力学上最稳定的一种。纳米陶瓷颗粒领域有一个共识：纳米陶瓷颗粒的比表面积越大、颗粒尺寸越小，催化性能越好，致密化得到的陶瓷性能也越好。

李建功的团队已在2015至2018年先后研制出尺寸小于5纳米、比表面积161平方米/克至253平方米/克的刚玉纳米颗粒。要不要对前述论文的不实之处予以否定？

最终李建功抱着对科学负责的态度，在《科学》发表评论文章，报道了其团队先后开发的三种高效制备方法，他们制备的刚玉纳米颗粒比表面积均高于100平方米/克。这一文章否定了舒特团队的结论，并且指出，舒特的材料其实是30~200纳米的硬团聚体，而非13纳米的纳米颗粒，并分析了其颗粒粗大但比表面积较高的原因。

事实上，这是李建功团队第二次对《科学》刊登的内容发起挑战了。

1997年，李建功看到《科学》发表的现代热力学研究领域世界知名专家、普林斯顿大学教授纳夫罗斯基团队的一篇论文：阿尔法氧化铝，当比表面积高于100平方米/克，或颗粒尺寸小于15纳米时，成为热力学非稳定相。这成为了刚玉纳米颗粒制备的瓶颈和“魔咒”，很多人尝试多年都无法突破。

坚信制备细小刚玉纳米颗粒有重大价值的李建功，下定决心一定要把这条路走通。他迎来送往20届学生，带领团队一走就是7000多个日夜。

没人走的路，难在哪儿

20多年的研究之路，李建功把它分成以下阶段。

“1998年到2003年我们就是瞎试，把前人所有可能的方法都试一遍，发现一转变成阿尔法相就团聚成大颗粒。看来《科学》说的可能是真的。”李建功说。

2003~2008年，他们才渐渐有了思路，通过第二相包覆来降低刚玉表面能，或者提供充足能量让刚玉纳米颗粒在非平衡条件下形成。

“通俗地说，就是让刚玉纳米颗粒形成时被另一相包围着，这样刚玉纳米颗粒的自由表面就变成了与另一相的界面，选择合适的第二相，就可使这个界面能低于刚玉的表面能。”李建功解释道。

最初，虽然思路正确，但效果却不尽人意。2008~2013年间，多名研究生按照李建功的思路做实验，却只得到了15纳米以上的颗粒。

2013年6月的一天，团队成员蒲三旭随手将离心分离后看似清澈无物的离心清液倒入用过的废盐酸烧杯中，原本清澈的废液突然变成乳白色，这一次意外竟成为了科研突破的重大转折点。

蒲三旭兴奋地说：“前面很多师兄师姐没有离心得到细小纳米颗粒，是因为颗粒悬浮在液体中，由于表面有双电层互相排斥，非常稳定。加入盐酸，颗粒表面的双电层被破坏，这些细小的纳米颗粒就都沉淀出来了。既然浓盐酸可让大小不同的所有纳米颗粒沉降，那么用不同浓度的盐酸，是不是也可以让不同尺寸的纳米颗粒沉降呢？”蒲三旭和团队成员李璐通过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，团队这条路不仅走通了，在李建功的指导下，四位兰大材料科学与工程专业的研究生还探索出几条制备细小刚玉纳米颗粒的路径。

团队成员曹文斌、郭瑞云开发的是共沉淀—煅烧—选择腐蚀法，通过液相化学反应，发生共沉淀，制备刚玉纳米颗粒。2012年，当时读研二的曹文斌提出了“用铁做隔离相”的想法。终于，他们得到平均尺寸9纳米、尺寸分布2~27纳米、比表面积161平方米/克的刚玉纳米颗粒。

怎样把相近的颗粒分别分离出来？这时候蒲三旭开发的分级聚沉法就派上用场，从尺寸分布很宽的纳米颗粒中分离出了尺寸分布窄的纳米颗粒。

2016年，李璐开发出直接球磨法，以粗大的微米级刚玉粉体为原料，直接高能球磨，再经酸洗，得到8纳米的刚玉纳米颗粒，这也是最简捷高效的一种方法。

“削铁如泥”不是梦

从1998年几百纳米大小的刚玉硬团聚，到2017年改进球磨工艺，团队真正分离出尺寸4.8纳米、纯度99.96%的刚玉纳米颗粒。

用了近20年，目前李建功团队真正在刚玉纳米颗粒方向达到世界最高水平。

“有时候每年全实验室也就产出两三篇文章，恐怕也是全校最少的了。”但凭着清晰的思路以及可预期的未来，科学理想主义者李建功2011~2021年间连续4次获得国家自然科学基金的支持，最多时团队有三十几名学生共同攻克这一方向。

就这样，团队从几百做到30纳米再到20纳米，再到偶尔见15纳米的颗粒，最终做到3.3纳米，在《科学》上总结出三种高效制备方法。

目前，他们正在以超细刚玉纳米颗粒为原料，与国内外合作，通过超高压热压技术，朝着致密度99%以上和平均晶粒尺寸15纳米以下的细晶氧化铝纳米晶陶瓷发起冲击。

李建功兴奋地说，刚玉纳米颗粒的成功制备，为今后在催化、医学、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。“未来，也许你手中的纳米陶瓷水杯掉在地上不会摔碎；将纳米刚玉颗粒涂在车床高耐磨度刀具表面，‘削铁如泥’就会变成现实……”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abb0142