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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：4885次

【背景介紹】

相信談及《法醫秦明》系列電視，里面的法醫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。可曾思量其中緣由？其實，是因為骨頭、牙齒等生物材料具有極其優異的強度、模量和韌性。通過分析其內部結構，發現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）在延展性有機基質中形成精細的層狀微結構而造成的。科研人員受到這些生物材料結構的啟發，采用了層層組裝、真空過濾和使用磁性材料等策略來開發層狀納米復合材料。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、層狀結構的納米復合材料。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，可以應用于廣泛的結構復合材料，并有利于高性能復合材料的發展。

【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性

層狀納米復合薄膜的均勻性和連續性

圖三、層狀納米復合薄膜的結構表征

層狀納米復合薄膜的結構表征

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】

綜上所述，作者已經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。通過研究發現，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，相信該策略可以應用于實際開發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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