微米和纳米科技材料

北航刘明杰开发了通用的方式生产超强层状纳米复合材料

众所周知,生物材料,例如骨头,牙齿和软体动物的贝壳,具有出色的强度,模量和韧性。这种性质归因于在延展性有机基质中的无机增强纳米填料,特别是二维纳米片或纳米片的精细的层状微观结构。受这些生物结构的启发,已经采用了多种组装策略,包括逐层,浇铸,真空过滤和使用磁场,以开发层状纳米复合材料。然而,如何以通用,可行和可扩展的方式生产超强层状纳米复合材料仍然是一个悬而未决的问题。

2020年4月8日,北京航空航天大学刘明杰团队在Nature 在线发表题为“Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets”的研究论文,该研究提出了一种在不混溶的水凝胶/油界面处利用剪切流诱导的二维纳米片排列,来生产具有高度有序的层状结构的纳米复合材料的策略。例如,基于氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料显示的拉伸强度高达1,215±80兆帕斯卡,杨氏模量为198.8±6.5千兆帕斯卡,分别比天然珍珠母高9.0和2.8倍。

当使用粘土纳米片时,所得的纳米复合材料的韧性可以达到每立方米36.7±3.0兆焦耳,是天然珍珠母的20.4倍。同时,抗张强度为1,195±60兆帕。定量分析表明,排列良好的纳米片形成了关键的中间相,这导致观察到的机械性能。研究人员认为,该策略可以很容易地扩展以对齐各种二维纳米填料,可以应用于各种结构复合材料,并导致高性能复合材料的发展。

另外,2020年1月22日,北京航空航天大学材料科学与工程学院杨树斌及美国莱斯大学材料科学与纳米工程系Pulickel M. Ajayan共同通讯在Nature 在线发表题为“Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides”的研究论文,该研究报道了一种以工业规模生产稳定的2D材料的方法,这是将其推向市场的关键步骤。具体来说,该研究证明了硫族蒸气下非vdW固体(例如过渡金属碳化物和氮化物)到2D vdW过渡金属硫族化物层的有效拓扑转换,该层已确定2H / 1T相,在高温(<1373 K)下具有良好的稳定性,并且可以实现单层的高通量生产。研究人员预计,具有良好特征的所得过渡金属硫属化物层将在电子,能量存储和转换方面具有广泛的应用。最后,Nature发表了题为“Versatile strategy for making 2D materials”的点评文章,系统介绍了该研究成果(点击阅读)。

北航刘明杰开发了通用的方式生产超强层状纳米复合材料

众所周知,生物材料,例如骨头,牙齿和软体动物的贝壳,具有出色的强度,模量和韧性。这种性质归因于在延展性有机基质中的无机增强纳米填料,特别是二维纳米片或纳米片的精细的层状微观结构。

受这些生物结构的启发,已经采用了多种组装策略,包括逐层,浇铸,真空过滤和使用磁场,以开发层状纳米复合材料。然而,如何以通用,可行和可扩展的方式生产超强层状纳米复合材料仍然是一个悬而未决的问题。

在这里,研究人员提出了一种在不混溶的水凝胶/油界面处利用剪切流诱导的二维纳米片排列,来生产具有高度有序的层状结构的纳米复合材料的策略。例如,基于氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料显示的拉伸强度高达1,215±80兆帕斯卡,杨氏模量为198.8±6.5千兆帕斯卡,分别比天然珍珠母高9.0和2.8倍。

当使用粘土纳米片时,所得的纳米复合材料的韧性可以达到每立方米36.7±3.0兆焦耳,是天然珍珠母的20.4倍。同时,抗张强度为1,195±60兆帕。定量分析表明,排列良好的纳米片形成了关键的中间相,这导致观察到的机械性能。研究人员认为,该策略可以很容易地扩展以对齐各种二维纳米填料,可以应用于各种结构复合材料,并导致高性能复合材料的发展。

参考消息:

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2161-8

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