20世纪90年代，在苏皖地区曾有一种矿石被大量开采，当时每吨的价格不过数百元。然而，当它作为原料运往海外，经提纯加工成产品后再返销中国时，价格竟飙升至每吨上万元。这种巨大的“资源剪刀差”，曾刺痛了无数中国科研工作者的心。
如今，凭借矿物“基因”解码、结构调控和功能修饰等技术，中国科学家已经让昔日被贱卖的矿藏点“土”成材，高“质”利用发展为身价倍增的多功能矿物材料。它，就是大自然赐予人类性能独特的天然纳米结构材料——凹凸棒石。
凹凸棒石的“前世今生”
凹凸棒石的“分子身份证号”为Si8Mg5O20(OH)2(H2O)4·4H2O。它诞生于白垩纪至第三纪漫长的地质演化过程中，是火山沉积、热液蚀变与漫长风化共同孕育的结晶。历经亿万年锤炼形成的独特结构，至今仍是人类难以合成的自然杰作。
火山喷发沉积型凹凸棒石的形成过程和棒晶结构示意图（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
1862年，俄国学者萨夫钦科夫在乌拉尔山脉的坡缕缟斯克地区，首次发现了由热液蚀变形成的新矿物。1913年，费尔斯曼将其正式取名为Palygorskite（坡缕石）。1935年，法国学者拉帕伦特在美国佐治亚州的奥特堡和法国的莫尔摩隆等地区，发现了矿石沉积成因的Attapulgite（凹凸棒石）。
1980年，国际矿物学协会（IMA）命名委员会宣布，Palygorskite和Attapulgite的晶体构造和化学成分相同，属于同一种矿物。按照矿物界的命名优先原则，矿物的官方学名统一定为Palygorskite。但事实上，由于出生环境不同，坡缕石和凹凸棒石的特征迥异：凹凸棒石为沉积成因，资源分布更广，储量更大，外观致密而更像土，晶体形貌呈棒状；而坡缕石为热液成因，外观柔软，结晶性能好，晶体形貌呈纤维状，大多属于“鸡窝”矿，不能规模化开采利用。
（a）沉积型凹凸棒石棒状形貌和（b）热液型坡缕石纤维状形貌（图片来源：参考文献[3]）
凹凸棒石的分布几乎遍及世界各地，但具有工业价值的矿床却屈指可数，主要分布在中国、美国、西班牙、土耳其、希腊、澳大利亚和印度等少数国家，属于稀有非金属矿。
1976年，中国学者许翼泉等人在江苏六合的沉积岩层中发现了凹凸棒石矿，由此开启了这种矿石东方传奇的序章。目前在中国已探明可规模化利用的凹凸棒石矿主要分布在江苏盱眙、安徽明光、甘肃白银、临泽和内蒙古杭锦旗等地区，资源储量占全球的80%以上。
（a）安徽明光、（b）江苏盱眙、（c）甘肃临泽和（d）内蒙古杭锦旗凹凸棒石矿山
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
凹凸棒石的“基因密码”
凹凸棒石是一种2:1型层链状结构的天然含水富镁铝的黏土矿物。在理想状态下，镁离子全部占据八面体位置，凹凸棒石呈现为典型的三八面体矿物。然而，由于类质同晶取代现象，晶层结构八面体中部分镁离子被三价离子（如铝离子、铁离子）取代，这使其常常呈现二八面体或二/三八面体的过渡结构。迄今科学家们已通过酸碱溶蚀晶体结构，初步阐明了取代金属离子的赋存位置及其理化性能变化规律，为高值利用奠定了基础。
（a）三八面体和（b）二八面体结构示意图（图片来源：《结晶学和矿物学》）
凹凸棒石是天然的一维纳米结构矿物，不同沉积环境形成棒晶的长径比有所不同。通常棒晶长约1～55μm、直径约20～70nm，棒晶中具有规整纳米孔道（0.37nm×0.64nm），表面富含硅/铝活性基团并带有结构负电荷，这些独特的“基因密码”正是凹凸棒石日后大展神通的秘诀。
（一维纳米结构：指在三维空间中有两个维度处于纳米尺度，而另一个维度的尺寸相对较大，从而呈现出线状、棒状、管状或纤维状结构的纳米材料。）
凹凸棒石晶体结构（a, b）和孔道结构（c, d）示意图（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
凹凸棒石的“破局之路”
20世纪，欧美国家的科学家从结构解析到自身性能应用方面引领着凹凸棒石研发和应用方向。进入21世纪，通过中国科研人员的不懈攻关，书写了一条凹凸棒石从技术跟跑、创新并跑到产业领跑的崛起之路。
早期，基于凹凸棒石自身孔道结构和结构负电荷，通过破碎和磨粉处理，实现了在脱色剂、干燥剂、增稠剂、土壤修复、肥料助剂等传统领域的应用。然而，由于凹凸棒石的棒晶因氢键与静电作用紧密交织，天然状态下多呈鸟巢状或柴垛状聚集体，这种原始聚集态让其空有纳米级的“骨架”，却未展现出纳米材料的特异性能。
多年来，科学家们为了解开“纳米枷锁”，采用了搅拌、冷冻、球磨和对辊等多种处理手段，却只能实现部分解离，同时还会损伤棒晶结构固有的长径比，影响纳米性能的发挥。因此，如何实现凹凸棒石体内棒晶束的无损解离，成为制约高值化应用和产业发展壮大的关键技术瓶颈。
中国科学院兰州化学物理研究所历时5年为凹凸棒石量身定制了“对辊处理-制浆提纯-高压均质-溶剂处理”的一体化工艺，解决了体内棒晶束解离过程中的棒晶损伤，以及干燥过程中棒晶二次团聚的关键共性技术难题。在后续的工业化进程中，团队进一步发展了超声辅助处理技术，更加高效地实现棒晶束无损解离，并发展了“三辊处理-制浆提纯-超声处理-压滤脱水-强力干燥”的全新一体化工艺。
凹凸棒石原矿和棒晶束解离后的扫描电镜照片（图片来源：参考文献[8]）
自此，凹凸棒石完成了从矿物原料到纳米材料的蜕变之旅，为应用需求导向的纳米功能材料构筑和高效利用奠定了基础，使这种矿物在中国的产业发展水平逐步实现从“跟跑”到“引领”的跨越转变。
凹凸棒石的“七十二变”
从矿物原料到矿物功能材料是凹凸棒石高值利用的必经之路。在三大产业的舞台上，凹凸棒石依托纳米晶体结构和千变万化的改性技术，不断演绎着“七十二变”的跨界传奇，悄然推动着传统产业的绿色升级与新兴产业的创新突破。
凹凸棒石在三大产业的应用领域
农业生态卫士：在农田里，凹凸棒石可作为肥料缓释载体，能将肥料“锁住”缓慢释放，又可贡献体内的微量元素，让作物既吃饱又吃好。当土壤板结时，凹凸棒石的纳米多孔结构能像“松土针”，可以降低土壤容重并增加孔隙度，改善土壤通透性；当重金属污染耕地时，凹凸棒石化身为“解毒剂”，吸附钝化重金属离子，守护粮食安全；当土壤干旱时，凹凸棒石作为保水材料可有效减少水分渗漏和流失，提高水分利用率。此外，凹凸棒石还可用作农药载体、包衣材料等，提高农药利用率、促进种子有效发芽。
牧场健康管家：鉴于凹凸棒石独特的结构特征和理化性能，2003年欧盟委员会将其纳入饲料添加剂目录，随后在2011年和2013年，欧盟委员会和中国原农业部（现农业农村部）又先后将凹凸棒石纳入饲料原料目录。作为功能性饲料原料，凹凸棒石具有改善饲料机械强度和动物养殖环境、吸附霉菌毒素和重金属离子、促进肠道健康和提高动物生产性能的效果。目前，以凹凸棒石为材料研发的霉菌毒素吸附剂和替代抗生素抗菌促生长剂，已经在市场上获得了广泛认可。
凹凸棒石在健康养殖中的作用（图片来源：参考文献[7]）
环保净化先锋：在环境治理领域，凹凸棒石凭借高比表面积和丰富的活性位点，已在除湿、空气净化、水体污染物去除和场地污染物修复等方面得到广泛应用；通过改性处理，已开发出烟气脱硫脱硝催化剂、二氧化碳捕获剂和甲醛吸附剂等产品，为环境修复和环保产业提供了创新解决方案。
日化领域美容师：当邂逅水分子时，凹凸棒石的棒晶可形成三维网络堆积，同时将溶剂分子束缚在网络内，形成具有增稠、触变和悬浮性能的胶体。这种特性可使凹凸棒石在牙膏中既作为增稠剂又作为摩擦剂；作为彩妆原料，凹凸棒石为粉底、口红等产品赋予如丝绒般平滑的质感、良好的密合性与透气性；在缓释芳香剂中，多孔结构能让芬芳在产品中悠然萦绕数月而不消散。
食品工业魔术师：在食用油的脱色工序中，凹凸棒石通过吸附和化学作用双管齐下，不仅可以达到优异的脱色效果，还能优化油品脂肪酸的含量和结构，提高油品的质量。在饮料生产中，凹凸棒石被开发为矿泉水、啤酒、果汁等饮品的过滤剂和澄清剂。在食品包装材料中，凹凸棒石与可降解高分子结合，既能实现包装材料的增韧补强，又能调节透湿透气性能，默默守护着食品的品质与安全。
凹凸棒石棕榈油脱色剂脱色效果对比，（a）原油，（b，d）凹凸棒石基脱色剂，（c）市售脱色剂
（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
建材领域多面手：在建材领域，凹凸棒石可用作填充剂、流平剂、增稠剂和稳定剂等，具有性能好、成本低的优势。例如，作为陶瓷增强剂，凹凸棒石可提高陶瓷的抗弯性能和抗裂性，延长瓷砖寿命；作为混凝土3D打印流变调控剂，显著提升3D打印的堆积性能和可打印高度，实现纳米凹凸棒石在混凝土中类“钢筋”应用；此外，还可开发为矿棉吸音板、保温板和隔热层等材料，为建筑材料提供多种功能支持。
不同掺量(a-0%、b-0.25%、c-0.5%)纳米凹凸棒石对3D打印混凝土性能的影响（图片来源：参考文献[9]）
石化领域助推器：在海洋石油天然气钻井、内陆含盐地层钻井等复杂环境中，凹凸棒石凭借优异的热稳定性、耐盐性和悬浮稳定性，特别适合作为钻井泥浆使用。在炼化车间，凹凸棒石通过负载具有高催化性能的金属、金属氧化物、金属盐等粒子，可显著提升石油催化裂化效率。将凹凸棒石经有机化改性后，与高分子材料复合，可显著提升热稳定性和力学性能。利用凹凸棒石的负载效应，可在凹凸棒石表面均匀负载无机颜料纳米粒子，形成性能优异的杂化颜料。
凹凸棒石基颜料数码照片（图片来源：中国科学院兰州化学物理研究所）
生命健康守护神：虽然凹凸棒石自身抗菌能力有限，但科学家们巧妙利用纳米孔道和表面硅铝羟基等“诱导”和“限域”特性，通过装载活性抗菌因子构筑不同体系的复合抗菌材料，使其成为高效的“细菌杀手”。另外，凹凸棒石具有高效吸附性和优异的生物相容性，科学家已经在快速止血纱布、缓释药物载体和骨修复材料等医疗产品中展开了应用探索。
随着研究的进一步深入，凹凸棒石的“七十二变”仍在持续蜕变升级，在新能源领域，可化身为新型电极材料、电池隔膜和限域催化剂的性能倍增器；在生物制造领域，有望作为靶向载体，助力合成生物学完成纳米级的精雕细琢；在生物医药领域，通过与活性成分协同融合，正为精准治疗开辟全新路径。
从“灰姑娘”到“小天鹅”，凹凸棒石的逆袭之路见证着中国科技工作者的智慧。随着学科交叉的深化与技术边界的拓展，凹凸棒石将在更多前沿领域绽放光彩，续写中国科技从资源到创新的华丽篇章。
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作者简介：
马明财，牟斌，卢予沈，王爱勤（中国科学院兰州化学物理研究所）
