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4月8日,《自然》杂志以北京航空航天大学化学学院刘明杰教授在线全文的形式,发表了“剪切流诱导纳米板材取向层状纳米复合材料”的最新研究成果。生物材料,如骨、牙、壳等,由于其高度有序的结构和有机基质,具有优异的强度、模量和断裂韧性。为了仿生制备层状材料,科学家们做了很多尝试来模拟自然界中这些精细的结构。然而,现有方法的一些缺陷限制了其实际应用。一方面,无法大规模制备具有长程取向结构的复合材料。另一方面,对于多组分纳米材料增强体系,纳米材料在制备过程中不可避免的团聚,会降低纳米复合材料的力学性能。

因此,连续、大规模制备超层状纳米复合材料仍然是该领域的挑战之一。为了解决上述问题,北京航空航天大学化学学院教授刘明杰提出了基于极稀反应溶液的液体超分散制备策略。本研究提出了一种基于液体超分散制备层状复合薄膜的新方法,解决了层状复合材料不能大面积连续制备的问题。指出聚合物链在受限空间中的运动限制是导致复合材料超高力学性能的科学机制。为仿生材料的结构设计和大规模生产提供了新的解决方案。新的制备策略不仅利用了超扩散反应溶液过程中产生的剪切液流,实现了纳米片的高取向排列,而且利用了聚合物的快速交联,实现了定向结构的原位快速同步固定,从而制备出具有层状结构的纳米复合薄膜。

结果表明,氧化石墨烯/粘土纳米片复合膜的拉伸强度高达1215±80mpa,杨氏模量高达198.8±6.5gpa,粘土纳米片复合膜的拉伸强度高达36.7±3mj/m3,拉伸强度高达1195±60MPa。这些纳米复合材料的力学性能远高于传统方法制备的层状薄膜。重要的是,通过将单液滴超塑性扩展为多通道连续超塑性,研究人员设计了一套能够实现层状纳米复合薄膜大规模连续制备的装置。通过对成膜过程中关键参数的优化,实现了均匀厚度层状纳米复合薄膜的连续大规模制备。

此外,该方法具有良好的通用性,可以实现多种纳米片的取向排列,实现多聚合物体系层状纳米复合薄膜的大规模连续制备。纳米复合材料的力学性能取决于纳米复合材料的取向结构以及纳米复合材料与聚合物基体的相互作用。为了揭示层状纳米复合薄膜超高力学性能的内在原因,系统地研究了纳米材料填充量对纳米复合薄膜力学性能的影响。实验结果表明,填充量对取向结构没有影响,两者都具有良好的取向结构。小角X射线扫描(SAXS)结果表明,在片层间距上存在显著差异。

纳米复合膜的玻璃化转变温度随纳米复合膜含量的增加而升高。基于此,作者认为层间距离是影响纳米薄膜与聚合物基片相互作用和纳米复合薄膜力学性能的直接原因,而聚合物链在纳米受限空间中的运动限制是其超高力学性能的根本原因。随着纳米片填充量的增加,纳米片之间的距离减小,聚合物链段在纳米片之间的运动越来越受到限制。当层间距减小到2.6nm左右时,相应层间聚合物的约束运动达到最大值,此时层间聚合物与纳米片之间的相互作用位点达到最大值,这是层状材料优异力学性能的科学本质结构纳米复合材料。

研究工作得到了国家重点科研项目(2017yfa0207800)、国家杰出青年科学基金(21725401)、国家科学基金(21988102、21774004)和教育部111项人才引进计划(b14009)的支持。赵创启,北京航空航天大学化学学院刘明杰教授研究组成员:北京航空航天大学博士后,2015年毕业于北京航空航天大学化学学院硕士研究生,并获得优秀毕业生称号。同年,在姜磊院士、刘明杰教授的指导下,继续在北航化工学院攻读博士学位。

2019年,他将继续在北航博士后流动站开展相关研究。主要研究了仿生凝胶的制备和性能,并在凝胶表面进行了仿生制备。目前已发表SCI论文10余篇,申请国家发明专利2项。周家佳:北京航空航天大学化学学院副教授。主要从事软物质理论研究、计算与模拟,发展软物质系统的非平衡动力学方法,探索通过调整动力学过程来优化聚合物和软物质系统的材料性能。近年来,他在《物理》国际期刊上发表了40多篇论文。修订版。主持了两个国家自然科学基金项目。

刘明杰:北航化学大学教授,北京航空航天大学化学学院教授,长江学者特聘教授,国家杰出青年科学基金获得者。主要从事仿生高分子复合凝胶的研究,并在防污、减阻、软件机器人和可穿戴设备等方面进行了应用。近年来,《自然》杂志发表了90多篇SCI论文。修订版。材料,国家。科学通讯社。高级,天使。化学。先后主持国家重点研究开发计划、国家自然科学基金、国防科技创新特区等科研项目。现为中国化学会高分子学科委员会委员,学术期刊《高分子、巨人》编辑部委员,曾获国际仿生工程学会杰出青年奖、中国化学会先进纳米化学奖,以及日本理化研究所的研究创新奖。

(刘晓)主编:张扬。。

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