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    我国学者提出了高性能纳米复合材料构筑的新策略

    日期 2020-04-13   来源:化学科学部   作者:高飞雪 曹佳  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:21988102、21725401、21774004)等的资助下,北京航空航天大学刘明杰研究团队提出了一种在不混溶的水凝胶/油界面处利用剪切流诱导的二维纳米片排列来生产具有高度有序层状结构的纳米复合材料的新策略。研究成果以“剪切流诱导的二维纳米片排列构筑层状纳米复合材料(Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets)”为题,于2020年4月8日发表在《自然》(Nature)上,文章链接https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8。

      牙齿、骨头、贝壳等生物材料都具有较好的力学性能,包括强度、韧性和模量。仿生学研究表明,生物材料的超高力学性能主要归因于具有延展性的有机基质与其中的无机纳米材料形成的多级次有序结构。尤其是具有二维层状结构的纳米片,其精准的微观结构为生物材料的力学性能起到至关重要的作用。受生物材料启发,研究人员开发了一系列组装方法,来构筑这种仿生纳米复合材料,比较常见的策略有逐层组装法、浇铸法、真空过滤法以及磁场辅助法等。虽然取得了较大进展,但在该领域还存在一个关键问题悬而未决,即这些具有超高力学性能的层状纳米复合材料如何实现普适性的、经济可行的规模化生产?这一问题,始终制约着高性能层状纳米复合材料的实际应用。

    图. 层状纳米复合材料的制备

      液滴可以在油/水/凝胶体系中的可混溶凝胶表面上迅速而完全地铺展,这种现象被称为超铺展现象。该团队提出了一种在不混溶的水凝胶/油界面处利用剪切流诱导的二维纳米片排列来生产具有高度有序的层状结构的纳米复合材料的策略,基于此发展了一种高性能层状纳米复合材料的连续可扩展的普适性制备方法,并制备了性能优异的氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料。定量分析表明,排列良好的纳米片形成了关键的中间相,这是实现高力学性能的关键。此外,该策略可实现大面积纳米复合薄膜连续制备工艺。

      该项研究为高性能层状复合材料的规模化普适性生产提供了全新思路,极大地推动了二维材料和纳米复合材料的实用化进程。




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