川大傅强教授/吴凯副研究员《Adv. Mater. 》综述：受自然界垂直结构的启发，定构加工架起聚合物复合材料结构与性能间的桥梁

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聚合物复合材料中的垂直结构是指功能性填料在材料的厚度方向有序排列、相互连接或组装成的一系列特征结构，可以赋予材料各向异性的特性和其他优异的功能表现。近年来，众多研究者包括作者课题组在垂直取向结构的制备方法、形态特征的调控、功能特性的提升以及功能材料的应用方面取得了众多进展。故四川大学傅强教授/吴凯副研究员研究团队从加工技术角度出发，对于这种既在自然界广泛存在又利于制备高性能聚合物复合材料的垂直结构，进行了系统性总结。相关综述在线发表于材料领域优秀期刊Advanced Materials上。

大自然是材料结构设计最优秀的老师。本文从自然界中的垂直结构出发，系统性地讨论和分析了树干、年轮、芦苇、木头中的径向和层状形态、壁虎触手等多种垂直取向结构与其性能和功能之间的联系（如图1），这些自然结构为制备对应领域的多功能聚合物复合材料提供了优秀的学习模板。

图1 自然界中的垂直取向结构原型、性能和功能，以及相应的人造聚合物复合材料。

鉴于此，为了能够在聚合物材料中精细地构造这些优异的天然垂直取向结构，先进的材料制备加工技术必不可少。他们详细地总结了用于制备具有垂直结构聚合物复合材料的多种定构加工手段，例如定向方向变换、外场诱导、模板法和3D 打印技术等。如图2所示，上述加工方法之间也可以进行很好的耦合，如在roll-to-roll加工的时候可以将多种外场（如剪切场、电场、磁场等）集成在一套装置中，连续化地在聚合物复合材料中构筑特定的垂直去向结构。

图2 Roll-to-roll 多外场耦合加工流水线用于制备具有垂直的聚合物复合材料。

在多种定构加工手段的帮助下，先进的多功能聚合物复合材料也得到了广泛的报道。他们详细列举了垂直结构在聚合物功能复合材料中的广泛应用，例如结构材料、热管理材料（隔热及导热材料），介电材料，导电传感材料，电磁屏蔽材料，水处理材料（油水分离及太阳能水体蒸发材料），电化学储能材料等，如图3所示。

图3 具有垂直结构的聚合物功能复合材料的诸多应用。

最后，如图4所示，他们用中国民间经典传说“牛郎织女”将“自然启发”、“定构加工”和“聚合物复合材料的性能和功能”的关系形象的表现出来。先进的定构加工手段如同七夕之时的鹊桥，只有通过它才能让自然界优异的垂直结构（织女）和聚合物复合材料的性能/功能（牛郎）桥连起来，在结尾本文他们也指出了垂直结构的现存问题和未来发展的新机会，希望以上观点能为制备先进多功能聚合物复合材料做出更多贡献。

图4 自然垂直结构的原型、定构加工手段和用于各种应用的聚合物功能复合材料的对应关系。

相关成果以 “Controlled Vertically Aligned Structures in Polymer Composites: Natural Inspiration, Structural Processing, and Functional Application” 为标题发表在Advanced Materials期刊上，四川大学高分子科学与工程学院2020届硕士毕业生雷楚昕为本文的第一作者，通讯作者为四川大学高分子学院的吴凯副研究员和傅强教授。感谢国家自然科学基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、国家自然科学基金创新群体项目（No. 51721091）、江苏省自然科学基金青年基金（No. BK20200501）对本工作的支持！

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202103495 

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