查看原文
其他

中国科大俞书宏教授团队与吴恒安教授课题组合作:基于多尺度界面设计创制高性能仿生珍珠层材料

点击上方“蓝字” 一键订阅

贝壳的珍珠层,由占主要部分的脆性碳酸钙矿物和少量的柔性聚合物构成,虽然组分简单,但其精致的多级结构和界面特点赋予其超出自身组分几个数量级的优异力学性能。这种在温和条件下由简单材料组分生长实现的多级构造和性能放大,使贝壳的珍珠层受到研究人员的高度关注。矿物粘土和石墨烯等超薄纳米片作为接近理想和无缺陷的纳米结构单元,已经被广泛用于构筑仿珍珠层结构复合薄膜和涂层。然而,其在构筑更具实用价值的宏观尺度块体结构仿珍珠层材料方面仍然极具挑战,主要表现在难以设计稳健可控的微/纳尺度界面来增强纳米片单元及其之间的相互连接,进而实现对所构筑宏观块材的性能强化。

近日,中国科学技术大学俞书宏教授研究团队与吴恒安教授课题组合作,他们在深入理解贝壳珍珠层的“砖-泥”层状微纳结构、多级界面特点和强韧化机制的基础上,提出了一种新型的仿生多尺度软硬双网络聚合物基界面设计策略,结合高效的自下而上仿生组装方法,利用廉价的粘土纳米薄片成功地制备出综合性能卓越的宏观块体仿珍珠层纳米复合材料。所提出的界面设计策略温和而灵活,可适用于蒙脱土纳米片、石墨烯等不同二维纳米结构单元体系。相关研究论文近日以“Superior biomimetic nacreous bulk nanocomposites by a multiscale soft-rigid dual-network interfacial design strategy”为题发表于Cell Press旗下的材料学旗舰期刊Matter上(Matter 2019, 1, 412–427),论文第一作者为博士生陈思铭、副研究员高怀岭和博士生孙晓昊


研究人员以廉价的蒙脱土纳米薄片(MTM)为组装“砖块”、以刚性酚醛树脂高分子(resol)和柔性聚乙烯醇分子(PVA)的复合组分为界面协同“粘结剂”(图1a),通过红外光谱、热重、原子力显微镜技术、拉伸加载、分子动力学模拟等表征手段系统验证了组分间的氢键、物理互穿缠结等形式的相互作用,进而采用“蒸发自组装-层压”联用技术构筑了所设计的仿生珍珠层复合块材,并证明了该微纳多尺度双网络界面设计对最终材料宏观性能的贡献。在溶液蒸发诱导自组装过程中,MTM和聚合物自组装成为有序的层状“砖-泥”结构,由锚定在MTM之间,通过氢键和物理互穿缠结作用形成的软硬双网络聚合物(刚性resol与柔性PVA)充当纳米尺度的粘结界面(图1b)。通过进一步利用该软硬双网络组分调控微观尺度膜间的粘合界面,并将薄膜层压(图1b),最终制得宏观尺度的仿珍珠层结构纳米复合块材(图1c)。从图1d, e中可以看出,该仿生结构材料表现出优雅的裂纹偏转和纳米片抽出等现象,表明其显著的韧化行为。


图1. (a)MTM、resol及PVA结构示意图。(b)多尺度软硬双网络界面设计引入至仿生纳米复合块材的高效制备过程。(c)MTM-PVA-resol仿生复合块材。(d)块材在弯曲承载时表现出扭曲的裂纹延伸。(e)块材的断口形貌表现出类珍珠层的层状结构及纳米片的抽出。


研究人员通过调节纳米尺度薄片间以及微米尺度薄膜间的软硬双网络结构界面,可以准确调控并优化所设计仿生块材的力学性能。得益于这种新颖的协同界面增强策略,所优化构筑的仿生块材展现出显著的力学增强效率(~80%),优于许多已报道的仿珍珠层结构材料,如性能优异的氧化铝陶瓷基仿生结构材料(图2a, b)。此外,由于刚性resol分子网络能够抵抗一定的高温,界面优化后的仿生复合材料还表现出优异的热稳定性,被火焰燃烧107s仍然能维持基本形态,既不会被高温熔化滴落,也不会卷曲变形(图2c-e)。


图2. (a-b)界面优化后仿生块材的力学增强效率对比。(c-e)PVA、MTM-PVA及MTM-PVA-resol膜的燃烧情况。


同时,除热稳定性外,所优化构筑的仿生复合材料还具有抵抗湿气的能力,这是因为刚性resol网络对湿气不敏感。由于MTM和PVA的吸水属性,该二元纳米复合材料在高湿度条件下(~94% RH)相比常规湿度条件(~40% RH),其强度和模量分别骤减了265.7%和215.0%。当在该二元体系中引入少量(~10 wt.%)resol分子构建软硬双网络界面后,三元复合材料展现了明显的抗湿能力,其性能衰减(197.2%和145.5%)远低于仅含软界面的二元体系,这反映了resol网络能够有效抑制MTM及PVA的塑化滑移。该界面设计策略也适用于强化石墨烯基纳米复合体系,界面优化后的石墨烯基三元复合膜相比常规二元复合膜,其强度和模量分别从45 MPa和3 GPa被提升至200 MPa和18 GPa。


研究人员发展的这种新型的仿生多尺度软硬双网络界面设计策略,通过对纳米薄片单元的界面强化,可有效实现对所构筑宏观尺度仿生复合块材的综合性能的强化。所优化构筑的仿生复合材料相比基于其他界面设计的仿生结构材料具有更高的力学增强效率,并且具有良好的耐热耐湿性。所研制的矿物粘土基纳米复合材料有望在广泛的结构材料应用领域发挥作用,所提出的多尺度软硬双网络界面设计策略将为构筑并强化新型仿生结构材料提供有效的设计思路。


该项研究受到国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学卓越创新中心等的资助。


文章链接:

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30016-5


来源:中国科大


相关进展

中国科大俞书宏教授团队研制新型仿生增强增韧纳米复合纤维材料

受北极熊毛发启发,中国科大俞书宏教授发展了一种中空碳管隔热气凝胶

合肥工大从怀萍教授课题组和中国科大俞书宏教授课题组《Nat. Commun.》:新型水凝胶驱动器可定向形变自动愈合

中国科大姚宏斌教授课题组和俞书宏教授课题组《Nat. Commun.》:仿硅藻土多级结构研制高性能固态锂电池复合负极

合工大从怀萍教授课题组和中国科大俞书宏教授课题组《Adv. Mater. 》:可实时修复的伸缩超级电容器构筑研究取得重要进展

合肥工大从怀萍教授课题组和中国科大俞书宏教授课题组合作:自修复超级可伸缩弹性导体材料的研制取得重要进展

合工大从怀萍教授和中国科大俞书宏教授等合作研发透明、超薄、自支撑石墨烯薄膜柔性全固态超级电容器

中国科大俞书宏教授团队研制出用于室内雾霾净化的柔性透明智能窗口材料

中国科大俞书宏教授:固态基底-气溶胶生物合成宏观尺度功能纳米复合材料获得成功

中国科大俞书宏教授课题组与多伦多大学Sargent教授课题组合作:脉冲式轴向外延生长胶体量子点-纳米线分段异质结研究取得重要进展

中国科大俞书宏教授团队:仿盾皮鱼鱼鳞制备人造盔甲研究取得重要进展

合肥工大从怀萍教授课题组和中国科大俞书宏教授课题组合作:自修复超级可伸缩弹性导体材料的研制取得重要进展

中国科学技术大学俞书宏教授团队:受生物启发的微纳米尺度纤维增强复合材料

中国科学技术大学俞书宏教授团队研制出新型仿生人工木材

合肥工大陆杨教授课题组和中国科大俞书宏教授研究团队合作成功研发高性能仿贝壳云母复合薄膜 

免责声明:部分资料来源于网络,转载的目的在于传递更多信息及分享,并不意味着赞同其观点或证实其真实性,也不构成其他建议。仅提供交流平台,不为其版权负责。如涉及侵权,请联系我们及时修改或删除。邮箱:info@polymer.cn

关注高分子科学技术  👉


长按二维码关注

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件(论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等)至info@polymer.cn,并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送,并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求,陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群,也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群,全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群,请先加审核微信号PolymerChina (或长按下方二维码),并请一定注明:高分子+姓名+单位+职称(或学位)+领域(或行业),否则不予受理,资格经过审核后入相关专业群。

这里“阅读原文”,查看更多


    您可能也对以下帖子感兴趣

    文章有问题?点此查看未经处理的缓存