【轉載】北航劉明杰Nature：攻克高性能納米復合材料關鍵問題！

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

研究亮點：

1. 發現了液滴在油/水/凝膠系統中的超鋪展行為。

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的二維納米片排列來生產具有高度有序的層狀結構的納米復合材料的策略。

3. 發展了高性能層狀納米復合材料的連續可擴展的普適性制備方法。

層狀納米復合材料

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

受生物材料啟發，研究人員開發了一系列組裝方法，來構筑這種仿生納米復合材料。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，但是在該領域，還存在一個關鍵問題懸而未決：對于這些具有超高力學性能的層狀納米復合材料，如何實現普適性的、經濟可行的規模化生產？這一問題，始終制約著高性能層狀納米復合材料的實際應用。

成果簡介

有鑒于此，北京航空航天大學劉明杰等人發現了液滴在油/水/凝膠系統中的超鋪展行為，提出了一種在不混溶的水凝膠/油界面處利用剪切流誘導的二維納米片排列來生產具有高度有序的層狀結構的納米復合材料的策略，并基于此發展了一種高性能層狀納米復合材料的連續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，劉明杰團隊發現，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，這種現象被稱為超鋪展現象。

研究結果表明，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內在完全溶脹的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠表面實現超鋪展，在水凝膠/油界面處自發且完全鋪展，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. 大面積納米復合薄膜連續制備工藝

1）一系列注射器同時擠出反應溶液，在硅油中進行超鋪展。

2）預先進入CaCl₂的水凝膠中，Ca²⁺離子從水凝膠表面擴散到反應溶液中，使NaAlg交聯，對齊的納米片通過NaAlg與Ca²⁺離子的原位交聯而固定，含有GO納米片的超鋪層在3分鐘內轉化為藻酸鈣（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，得到連續且均勻的無缺陷的GO / CA納米復合膜（實驗室寬度約為5 cm）。

圖2. 材料結構

要點3. 優異性能

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鍵的中間相，這是實現高力學性能的關鍵。

圖3. 材料性能

小結

總之，這項研究為高性能層狀復合材料的規模化普適性生產提供了全新的思路，極大地推動了二維材料和納米復合材料的實用化進程。

參考文獻：

Chuangqi Zhao et al. Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets. Nature 2020, 580, 210–215.

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8

文章出處：納米人