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北航刘明杰团队最新Nature：超强的层状纳米复合材料来临！

来源：科学10分钟时间：2020-12-02 14:41:05 浏览：4315次

【背景介绍】

相信谈及《法医秦明》系列电视，里面的法医科科长秦明在对死者进行检查时，通常会考察死者的骨头和牙齿等以收集证据。可曾思量其中缘由？其实，是因为骨头、牙齿等生物材料具有极其优异的强度、模量和韧性。通过分析其内部结构，发现这些生物材料是由于无机增强纳米薄片（特别是二维（2D）纳米片等）在延展性有机基质中形成精细的层状微结构而造成的。科研人员受到这些生物材料结构的启发，采用了层层组装、真空过滤和使用磁性材料等策略来开发层状纳米复合材料。然而，如何以通用、可行且可扩展的方式生产超强层状纳米复合材料仍然是亟待解决的问题。

【成果简介】

基于此，北京航空航天大学的刘明杰教授（通讯作者）团队于今日在Nature上发表了题为“Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets”的文章。在本文中，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-流变诱导排列2D纳米片的策略。通过该策略可以制备出具有高度有序的、层状结构的纳米复合材料。制备的基于氧化石墨烯（GO）和粘土纳米片的纳米复合材料，其具有的抗张强度（tensile strength）可以高达1215±80 MPa、杨氏模量（Young’s modulus）为198.8±6.5 GPa，分别比天然的珍珠高出9.0和2.8倍。此外，当使用粘土纳米片时，所制备的层状纳米复合材料的韧性可以高达到每立方米36.7±3.0兆焦耳，是天然珍珠的20.4倍。同时，该纳米复合材料的抗拉强度也达到了1195±60 MPa。通过定量分析发行，排列有序的纳米片能够形成界面相，最终使得纳米复合材料具有优异的力学性能。研究认为该策略可以很容易地扩展到排列各种2D纳米填料，可以应用于广泛的结构复合材料，并有利于高性能复合材料的发展。

【图文解读】

图一、层状纳米复合薄膜的制备和形成机理

层状纳米复合薄膜的制备和形成机理

图二、层状纳米复合薄膜的均匀性和连续性

层状纳米复合薄膜的均匀性和连续性

图三、层状纳米复合薄膜的结构表征

层状纳米复合薄膜的结构表征

图四、层状纳米复合薄膜的材料表征

层状纳米复合薄膜的材料表征

【小结】

综上所述，作者已经提出了一种可通用的、可扩展的分层策略，利用该策略在不混溶的水凝胶/油界面上进行超扩散剪切-流诱导排列纳米片。通过研究发现，利用该策略可以直接使用多种聚合物和2D纳米填料以制备层状纳米复合材料薄膜。总之，相信该策略可以应用于实际开发高级层状纳米复合材料中，并且这种超铺展分层策略在未来将进一步扩大应用范围。

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

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