人们经常使用的不粘锅涂层、雨衣还有防水手机壳里的一种特殊塑料，即俗称特氟龙的聚四氟乙烯，是一种超级顽固的塑料，不怕酸碱、不怕高温，连大自然都很难分解。以前，处理它要么是埋在地下千年不腐，要么是高温焚烧持续产生有毒气体。
图｜陆而立（来源：陆而立）
但是，英国伯明翰大学教授陆而立和团队仅仅使用一种生活中常见的金属钠，再加上一台像疯狂摇摇杯的球磨机，在室温下就能把这种顽固塑料拆解。拆解后得到的不是有害垃圾，而是两种非常有用的东西：一种是制作牙膏预防蛀牙的原料氟化钠，一种是纯净的碳粉。
这些刚拆下来的氟化钠无需提纯，直接在球磨机里摇身一变，就能成为制造高级药品和新兴材料的关键原料，这一成果为处理全球每年数十万吨的特氟龙垃圾，打开了一扇充满希望的大门。
“氟化钠是含氟牙膏中防蛀的成分；活性炭可用于洗面奶、面膜，或作为电池材料、吸附材料等。我们这里实际上将废弃的特氟龙变成了两种不仅无害而且有用的物质：氟化钠和活性炭。
这个过程的原子经济性接近 100%，相比之前的方法有显著提高。我们的反应条件温和，室温下 30 分钟到 1 小时即可完成，所使用的原料金属钠简单易得且便宜。”陆而立告诉 DeepTech。
顽固分子特氟龙：为何如此特别和麻烦？
如前所述，特氟龙的真名叫做聚四氟乙烯，其分子结构就像是无数个碳原子手拉手排成一长串，而每个碳原子的另外两只手，都紧紧地牵着氟原子。
（来源：ACS Publications）
氟原子和碳原子的结合异常牢固，能够形成非常强大的化学键。正是这层牢固的氟盔甲，让特氟龙拥有了惊人的本领。它是不粘锅的秘诀，油、水和食物都很难粘在它的表面。它是化学界的绝缘体，浓酸和强碱都拿它没办法。它也是耐热小能手，短时间内可以承受接近 400℃ 的高温。
这些优点让它无处不在，从厨房到实验室，从医疗设备到航天科技。但是，当产品寿命结束时，这身氟盔甲就成了大麻烦。
埋在土里几百年都不会自然分解。用火焚烧需要极高的温度，还有可能产生毒性强、在环境中长期存在的永久性化学品，危害环境和健康。所以科学家们一直在寻找能够温和地拆掉这身氟盔甲，同时又让宝贵的氟原子不至于被浪费的方法。
传统的拆解方法就像用大锤砸核桃，需要超高温度或超强腐蚀剂，不仅耗能而且非常危险。本次团队则使用了一个四两拨千斤的方法——机械化学。
机械化学反应好比是一个超高强度的摇摇杯，在化学领域叫做球磨机。在这个不锈钢罐里，放入需要反应的固体原料，再加上几个坚硬的钢球。当机器高速振动的时候，钢球就像无数个小锤子，以巨大的能量撞击、挤压、研磨罐内的固体。这种剧烈的机械力，可以直接在固体颗粒接触的微小界面上引发化学反应，根本不需要溶剂。
研究人员将特氟龙粉末和切成小块的金属钠一起放进摇摇杯。钠金属非常活泼，喜欢送出电子。在钢球疯狂的撞击下，特氟龙和钠被紧紧地压在一起，粉末瞬间完成混合。
这时奇特的现象发生了：钠原子将多余的电子送给特氟龙。特氟龙碳链上那些紧抓不放的氟原子，一接收到电子，与碳的牵手就被削弱了。于是，氟原子纷纷松手，转而与钠结合，借此形成了稳定的白色晶体——氟化钠。
而失去了氟铠甲的碳原子长链，则在撞击中断裂、重组，最终变成了一种疏松的黑色碳粉。整个过程在室温下进行，只需要 1 小时就能以 98% 的超高效率将特氟龙完全转化。最关键的是，这个反应非常干净，几乎不会产生有毒中间体，最终产物只有有用的氟化钠和惰性的碳粉。
从垃圾到宝藏：氟原子的即时升级回收
尽管已经把有害的塑料垃圾变成了无害甚至有用的无机盐。但是，该团队想得更远，既然可以制造出纯净的氟化钠，那么为什么不直接来用它制造更值钱的东西呢？
氟原子在高端制造业中是一个香饽饽，尤其是在制药行业。许多现代药物分子中引入一个氟原子，就像给分子装上了特效模块，能够大大提高药效，增强稳定性或者帮助人体吸收。
（来源：ACS Publications）
于是，研究人员使用一锅法手段，没有把生成的氟化钠分离出来，而是直接往那个装着氟化钠和碳粉混合物的球磨罐里，加入了磺酰氯或酰氯，它们是制造许多药物和材料的中间体。同时，还加入了四乙基氯化铵和对甲苯磺酸这些催化剂。
这时，再次启动摇摇杯。在撞击中，氟化钠被活化之后，氟离子跑出来，迅速攻击新加入的分子，将其中的氟原子替换掉，从而高效地合成了两类高价值的含氟精细化学品。
第一种是磺酰氟，它也被称为是点击化学中的明星分子，可以精准、快速地将不同功能模块连接起来，是研发新药和生物探针的利器。
第二种是酰氟，它是有机合成中非常重要、非常活泼的中间体，可被用来构建更加复杂的分子结构。
通过这种方式，废旧特氟龙中的氟原子，从顽固垃圾的组成部分，直接升级回收成为了制药和材料科学中的宝贵原料。研究团队使用这个方法成功合成了十几种不同的含氟分子，产率很高，证明了这条路的可行性与普适性。
陆而立表示：“我们首次将丰度高的金属元素钠用于此过程，并且首次实现了聚四氟乙烯接近 100% 原子经济性的回收与再利用。特别要指出的是，我们并未简单停留在得到氟化钠这一步。我们发现，反应完成后得到的氟化钠和活性炭混合物，无需分离纯化，可以直接用来合成高价值的含氟有机小分子。这些有机小分子可作为药物合成的砌块。”
因此，他和合作者不仅实现了聚四氟乙烯的高效降解，更实现了其价值的升级，将一个废弃的特氟龙塑料变成了高价值的含氟有机小分子。“我认为这是一件非常酷的事情，因为我们的化学原理很简单，体系也非常简单。我相信具备基本化学素养的高中生或大学一年级学生就能理解。这正是我们化学的优美之处。”他说道。
谈及应用前景，陆而立表示：“这里举两个简单例子。一是光纤通信领域：光纤表面通常有聚四氟乙烯涂层。由于其对环境的潜在危害及难降解性，特别是在欧洲，光纤制造商需要回收其出售的光纤，并去除表面的聚四氟乙烯涂层才能回收。
我们正在与一家荷兰厂商研究，是否能用我们的方法处理光纤表面的聚四氟乙烯涂层，将其转化为二氧化硅（玻璃）粉末、氟化钠和活性炭。二是厨房用具表面的特氟龙涂层。我们也在探索能否将这种方法应用于厨房用品表面涂层的降解与再利用。”
（来源：ACS Publications）
对于未来计划，他说道：“我们有两个主要方向。第一，含氟的永久化学污染物不只有聚四氟乙烯，还有很多其他类型，如全氟烷基酸等。我们正在探索能否将这套方法应用于含氟有机小分子污染物的处理。第二，就是如何将这项技术真正推向产业化应用，这也是我们正与产业界合作探索的方向。”
他补充称：“论文发表后，我们已在欧洲与多个初创孵化器（大概五六个）以及一些大型企业进行了探讨。目前我们在探讨是以初创公司的形式，还是以专利授权或合作研究的方式去推进产业化。
就目前情况看，我们可能不急于设立初创公司，而是会与一些已有深厚行业经验的合作伙伴，通过知识产权授权或合作研究的方式来推动产业化。”
最后，他提醒道：在此次体系中，反应的确需要在氮气或氩气保护下进行。但即使在空气中操作，我们也尝试过，只是需要更长时间和稍多一点的钠（例如 1.2 当量），并不会发生不可控的燃烧或爆炸等危险反应。
“工业界对此也有顾虑，我在此澄清一下，以防有读者尝试重复此实验。虽然在空气中可以进行，但仍需注意安全，最好在专业人士指导下或保护气氛中进行。”他表示。
参考资料：
相关论文 https://pubs.acs.org/action/showCitFormats?doi=10.1021/jacs.5c14052&ref=pdf
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