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北航劉明杰團(tuán)隊(duì)最新Nature：超強(qiáng)的層狀納米復(fù)合材料來臨！
來源：科學(xué)10分鐘 時(shí)間：2020-12-02 14:41:05 瀏覽：5311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(zhǎng)秦明在對(duì)死者進(jìn)行檢查時(shí)，通常會(huì)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(shí)，是因?yàn)楣穷^、牙齒等生物材料具有極其優(yōu)異的強(qiáng)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(jī)增強(qiáng)納米薄片（特別是二維（2D）納米片等）在延展性有機(jī)基質(zhì)中形成精細(xì)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(fù)合材料。然而，如何以通用、可行且可擴(kuò)展的方式生產(chǎn)超強(qiáng)層狀納米復(fù)合材料仍然是亟待解決的問題。

【成果簡(jiǎn)介】

基于此，北京航空航天大學(xué)的劉明杰教授（通訊作者）團(tuán)隊(duì)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(dǎo)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(fù)合材料。制備的基于氧化石墨烯（GO）和粘土納米片的納米復(fù)合材料，其具有的抗張強(qiáng)度（tensile strength）可以高達(dá)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(dāng)使用粘土納米片時(shí)，所制備的層狀納米復(fù)合材料的韌性可以高達(dá)到每立方米36.7±3.0兆焦耳，是天然珍珠的20.4倍。同時(shí)，該納米復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度也達(dá)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(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能。研究認(rèn)為該策略可以很容易地?cái)U(kuò)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(fù)合材料，并有利于高性能復(fù)合材料的發(fā)展。

【圖文解讀】


圖一、層狀納米復(fù)合薄膜的制備和形成機(jī)理

層狀納米復(fù)合薄膜的制備和形成機(jī)理

圖二、層狀納米復(fù)合薄膜的均勻性和連續(xù)性

層狀納米復(fù)合薄膜的均勻性和連續(xù)性

圖三、層狀納米復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)表征

層狀納米復(fù)合薄膜的結(jié)構(gòu)表征

圖四、層狀納米復(fù)合薄膜的材料表征

層狀納米復(fù)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(kuò)展的分層策略，利用該策略在不混溶的水凝膠/油界面上進(jìn)行超擴(kuò)散剪切-流誘導(dǎo)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(fù)合材料薄膜?？傊?，相信該策略可以應(yīng)用于實(shí)際開發(fā)高級(jí)層狀納米復(fù)合材料中，并且這種超鋪展分層策略在未來將進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。

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

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