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北航劉明杰Nature：攻克高性能納米復(fù)合材料關(guān)鍵問題！

劉明杰納米人 2020-04-09

第一作者：Chuangqi Zhao, Pengchao Zhang, Jiajia Zhou

通訊作者：Mingjie Liu

通訊單位：北京航空航天大學(xué)

研究亮點：

1. 發(fā)現(xiàn)了液滴在油/水/凝膠系統(tǒng)中的超鋪展行為。

2.提出了一種在不混溶的水凝膠/油界面處利用剪切流誘導(dǎo)的二維納米片排列來生產(chǎn)具有高度有序的層狀結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料的策略。

3. 發(fā)展了高性能層狀納米復(fù)合材料的連續(xù)可擴展的普適性制備方法。

層狀納米復(fù)合材料

牙齒、骨頭、貝殼這些生物材料，都具有極高的力學(xué)性能，包括強度、韌性和模量。仿生學(xué)研究告訴我們，生物材料的超高力學(xué)性能主要歸因于具有延展性的有機基質(zhì)與其中的無機納米材料形成的多級次有序結(jié)構(gòu)。尤其是具有二維層狀結(jié)構(gòu)的納米片，其精準的微觀結(jié)構(gòu)，為生物材料的力學(xué)性能起到至關(guān)重要的作用。

受生物材料啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一系列組裝方法，來構(gòu)筑這種仿生納米復(fù)合材料。比較常見的策略包括：逐層組裝法、澆鑄法，真空過濾法，以及磁場輔助法等等。

雖然取得了大量進展，但是在該領(lǐng)域，還存在一個關(guān)鍵問題懸而未決：對于這些具有超高力學(xué)性能的層狀納米復(fù)合材料，如何實現(xiàn)普適性的、經(jīng)濟可行的規(guī)?；a(chǎn)？這一問題，始終制約著高性能層狀納米復(fù)合材料的實際應(yīng)用。

成果簡介

有鑒于此，北京航空航天大學(xué)劉明杰等人發(fā)現(xiàn)了液滴在油/水/凝膠系統(tǒng)中的超鋪展行為，提出了一種在不混溶的水凝膠/油界面處利用剪切流誘導(dǎo)的二維納米片排列來生產(chǎn)具有高度有序的層狀結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料的策略，并基于此發(fā)展了一種高性能層狀納米復(fù)合材料的連續(xù)可擴展的普適性制備方法。

圖1. 示意圖

要點1. 基本原理

之前研究表明，通過控制三相接觸線的前進或后退運動，液體流動可促進納米填料的定向組裝。最近，劉明杰團隊發(fā)現(xiàn)，液滴可以在油/水/凝膠體系中的可混溶凝膠表面上迅速而完全地鋪展，這種現(xiàn)象被稱為超鋪展現(xiàn)象。

研究結(jié)果表明，在硅油中，由氧化石墨烯（GO）納米片和藻酸鈉（NaAlg）組成的反應(yīng)溶液液滴（0.09 wt％的GO和0.18 wt％的NaAlg組成的溶液，10 μL），可以在358 ms內(nèi)在完全溶脹的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠表面實現(xiàn)超鋪展，在水凝膠/油界面處自發(fā)且完全鋪展，并在液體水凝膠/油界面處的形成一層超薄且均勻的水層。

要點2. 大面積納米復(fù)合薄膜連續(xù)制備工藝

1）一系列注射器同時擠出反應(yīng)溶液，在硅油中進行超鋪展。

2）預(yù)先進入CaCl₂的水凝膠中，Ca²⁺離子從水凝膠表面擴散到反應(yīng)溶液中，使NaAlg交聯(lián)，對齊的納米片通過NaAlg與Ca²⁺離子的原位交聯(lián)而固定，含有GO納米片的超鋪層在3分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)化為藻酸鈣（CA）水凝膠薄膜。

3）將該CA水凝膠膜浸入水浴后，可以容易地從水凝膠表面分離，干燥并成卷，得到連續(xù)且均勻的無缺陷的GO / CA納米復(fù)合膜（實驗室寬度約為5 cm）。

圖2. 材料結(jié)構(gòu)

要點3. 優(yōu)異性能

基于此方法制備的氧化石墨烯和粘土納米片的納米復(fù)合材料，拉伸強度高達1,215±80 MPa，楊氏模量為198.8±6.5 GPa，分別比天然珍珠母高9.0和2.8倍。如果使用粘土納米片時，所得的納米復(fù)合材料的韌性可以達到每立方米36.7±3.0 MJ/m³，是天然珍珠母的20.4倍；同時，抗張強度為1,195±60 MPa。

定量分析表明，排列良好的納米片形成了關(guān)鍵的中間相，這是實現(xiàn)高力學(xué)性能的關(guān)鍵。