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北航劉明杰團隊最新Nature：超強的層狀納米復合材料來臨！

來源：科學10分鐘時間：2020-12-02 14:41:05 瀏覽：4853次

【背景介紹】

相信談及《法醫(yī)秦明》系列電視，里面的法醫(yī)科科長秦明在對死者進行檢查時，通常會考察死者的骨頭和牙齒等以收集證據(jù)?？稍剂科渲芯売?？其實，是因為骨頭、牙齒等生物材料具有極其優(yōu)異的強度、模量和韌性。通過分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些生物材料是由于無機增強納米薄片（特別是二維（2D）納米片等）在延展性有機基質(zhì)中形成精細的層狀微結(jié)構(gòu)而造成的?？蒲腥藛T受到這些生物材料結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，采用了層層組裝、真空過濾和使用磁性材料等策略來開發(fā)層狀納米復合材料。然而，如何以通用、可行且可擴展的方式生產(chǎn)超強層狀納米復合材料仍然是亟待解決的問題。

【成果簡介】

基于此，北京航空航天大學的劉明杰教授（通訊作者）團隊于今日在Nature上發(fā)表了題為“Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets”的文章。在本文中，研究人員提出了一種在不混溶的水凝膠/油界面處利用剪切-流變誘導排列2D納米片的策略。通過該策略可以制備出具有高度有序的、層狀結(jié)構(gòu)的納米復合材料。制備的基于氧化石墨烯（GO）和粘土納米片的納米復合材料，其具有的抗張強度（tensile strength）可以高達1215±80 MPa、楊氏模量（Young’s modulus）為198.8±6.5 GPa，分別比天然的珍珠高出9.0和2.8倍。此外，當使用粘土納米片時，所制備的層狀納米復合材料的韌性可以高達到每立方米36.7±3.0兆焦耳，是天然珍珠的20.4倍。同時，該納米復合材料的抗拉強度也達到了1195±60 MPa。通過定量分析發(fā)行，排列有序的納米片能夠形成界面相，最終使得納米復合材料具有優(yōu)異的力學性能。研究認為該策略可以很容易地擴展到排列各種2D納米填料，可以應(yīng)用于廣泛的結(jié)構(gòu)復合材料，并有利于高性能復合材料的發(fā)展。

【圖文解讀】

圖一、層狀納米復合薄膜的制備和形成機理

層狀納米復合薄膜的制備和形成機理

圖二、層狀納米復合薄膜的均勻性和連續(xù)性

層狀納米復合薄膜的均勻性和連續(xù)性

圖三、層狀納米復合薄膜的結(jié)構(gòu)表征

層狀納米復合薄膜的結(jié)構(gòu)表征

圖四、層狀納米復合薄膜的材料表征

層狀納米復合薄膜的材料表征

【小結(jié)】

綜上所述，作者已經(jīng)提出了一種可通用的、可擴展的分層策略，利用該策略在不混溶的水凝膠/油界面上進行超擴散剪切-流誘導排列納米片。通過研究發(fā)現(xiàn)，利用該策略可以直接使用多種聚合物和2D納米填料以制備層狀納米復合材料薄膜。總之，相信該策略可以應(yīng)用于實際開發(fā)高級層狀納米復合材料中，并且這種超鋪展分層策略在未來將進一步擴大應(yīng)用范圍。

文獻鏈接：Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets. (Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2161-8)

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