【人物与科研】中国科学技术大学俞书宏院士/高怀岭Adv. Mater.：仿生构筑高性能航天器外层防护材料

导语

聚酰亚胺薄膜因其优异的力学性能、绝佳的热稳定性和化学稳定性，而成为航天器“防护服”的绝佳材料！但是，聚酰亚胺也与其他碳氢聚合物一样，极易受到太空环境中原子氧的攻击，而发生性能下降。此外，宇宙射线辐射和空间碎片撞击等极端环境也对其使用安全性提出了严峻的考验。目前针对这些问题还没有很好的解决方案。近日，中国科学技术大学俞书宏院士/高怀岭副研究员团队在该研究领域取得了新突破（Advanced Materials 2021, DOI: 10.1002/adma.202105299）。

俞书宏院士课题组简介

俞书宏院士团队长期从事无机材料的仿生合成、组装及功能化应用研究。发现了材料仿生过程中有机分子对晶体取向生长的调控规律，建立了无机微纳材料的仿生合成新方法，创制了人工珍珠母、人工木材、人工盔甲等一系列仿生复杂多级结构材料，做出了原创性的成果，开辟了无机仿生材料跨尺度制备的新途径，引领了国际上仿生工程材料的研究。

俞书宏院士简介

俞书宏，中国科学技术大学教授，博士生导师，2019年当选中国科学院化学部院士，现任合肥微尺度物质科学国家研究中心纳米材料与化学硏究部主任。迄今，以通讯作者和第一作者在包括Science、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Catalysis、Science Advances、Nature Communications等国际刊物上发表学术论文550余篇，多次被Nature、Science、Scientific American、C&ENs等选为研究亮点，被SCI引用逾6.4万余次，H因子139，2014~2020年连续入选全球高被引作者名录。截至2020年12月，他的团队提交专利申请200余项。以第一完成人获2010和2016年国家自然科学二等奖，获2018年安徽省重大科技成就奖、2020年第二届全国争先创新奖章、2010年度中国科学院先进工作者、2010年国际水热-溶剂热联合会Roy-Somiya奖章、2010年Chem Soc Rev新科学家奖、中国青年科技奖等奖励或荣誉。担任Langmuir、Sci. China Mater.、Energy Chem.副主编及Acc. Chem. Res.、Nano Letters、Chem. Mater.等期刊的编委或顾问编委。

前沿科研成果

仿生构筑高性能航天器外层防护材料

将天然黏土和石墨烯等纳米薄片与聚合物共组装成模仿天然珍珠母的“砖-泥”层状结构，在构筑高力学性能的纳米复合膜方面具有不可替代的优势（Nature, 2020, 580, 210; Science, 2021, 374, 96; Nat. Mater., 2021, 20, 624）。云母作为一种常见的层状结构铝硅酸盐天然矿物，具有优异的力学、电绝缘性、耐酸碱与耐高温等性能以及特殊的可见光透过和紫外屏蔽性能。但是，如何低成本、高效率地制备高质量云母纳米薄片极具挑战。此前，中国科学技术大学俞书宏院士团队发展了一种由廉价天然云母粉宏量制备高质量云母纳米片的高效方法，获得了可用于构筑高性能仿珍珠母纳米复合材料的理想组装单元，他们进一步借助适合工程化制备的喷涂法将其与聚合物共组装成了可媲美甚至超过天然大片云母的纳米复合膜材料，实现了优异的机力学性能、良好的可见光透过性以及独特的抗紫外老化性能（Nat. Commun. 2018, 9, 2974）。

近日，为了弥补聚酰亚胺材料本身性能的不足，研究人员再次利用其前期开发的云母纳米片作为构筑基元，与聚酰亚胺前驱体共组装来构筑仿珍珠母结构的聚酰亚胺-云母纳米复合膜。在该工作中，研究人员区别于以往仿珍珠母纳米复合膜的单层结构设计，进行了新颖的双层类珍珠层结构设计，通过改变组分配比，使所得纳米复合膜的顶层分布有更致密的云母纳米片。通过这种策略，不仅实现了材料力学性能的显著提升，还借助其顶层的屏蔽作用，使所得聚酰亚胺-云母纳米复合膜对原子氧、紫外线辐射和空间碎片等都具有了更高的抵抗能力（Adv. Mater. 2021, DOI: 10.1002/adma.202105299）。

图1. 双层仿生聚酰亚胺-纳米云母复合膜的制备

（来源：Adv. Mater.）

研究表明，所得双层仿生聚酰亚胺-纳米云母复合膜具有典型的双层结构，两层之间结合紧密，且复合膜中的纳米云母薄片呈定向有序排列，其顶层具有更致密的类珍珠母“砖-泥”层状结构。此外，其拉伸强度、杨氏模量和表面硬度分别为125 MPa、2.2 GPa和0.37 GPa，相比纯聚酰亚胺薄膜分别提升了45%、100%和68%。

图2. 双层仿生聚酰亚胺-云母复合膜的取向结构和力学性能

（来源：Adv. Mater.）

随后，研究人员对比考察了仿生聚酰亚胺-云母复合膜对比其他聚酰亚胺膜对原子氧的抵抗能力，表现出了明显的优势，研究发现其表面结构几乎不受原子氧的侵蚀破坏（侵蚀率≈0.17×10^-24 cm^-3 atoms^-1），而对比的纯聚酰亚胺膜表面在相同条件下出现严重的破坏。

图3. 双层仿生聚酰亚胺-云母复合膜的原子氧抵抗性能对比

（来源：Adv. Mater.）

进一步研究表明，该仿生聚酰亚胺-云母复合膜的力学性能在原子氧侵蚀、强紫外线辐射（313 nm）和高温（380 ℃）等模拟极端太空环境中均保持较高的稳定性，也明显优于纯聚酰亚胺薄膜。

图4. 双层聚酰亚胺-云母膜在模拟太空恶劣环境中的力学稳定性

（来源：Adv. Mater.）

总结：

这项研究工作成功提升了聚酰亚胺基复合膜的力学性能、原子氧抵抗性、耐紫外线老化性和高温稳定性。这种新型的双层仿生聚酰亚胺-纳米云母复合膜有望取代现有的聚酰亚胺基复合膜材料，用于低轨道环境航天器的外层防护材料。该工作提出的独特双层仿珍珠母结构设计策略也为设计构筑其他高性能纳米复合材料提供了新思路。相关研究成果以“Double-layer nacre-inspired polyimide-mica nanocomposite films with excellent mechanical stability for LEO environmental conditions”为题发表在Adv. Mater. 2021（DOI: 10.1002/adma.202105299）上。第一作者为特任副研究员潘晓锋，博士生伍鲍为共同第一作者。通讯作者为俞书宏院士和其团队的高怀岭副研究员（论文作者：Xiao-Feng Pan^#, Bao Wu^#, Huai-Ling Gao*, Si-Ming Chen, YinBo Zhu, LiChuan Zhou, HengAn Wu, Shu-Hong Yu*）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

关于人物与科研

今天，科技元素在经济生活中日益受到重视，中国迎来“科学技术爆发的节点”。科技进步的背后是无数科学家的耕耘。在追求创新驱动的大背景下，化学领域国际合作加强，学成归国人员在研发领域的影响日益突出，国内涌现出众多优秀课题组。为此，CBG资讯采取1+X报道机制，携手ChemBeanGo APP、ChemBeanGo官博、CBG资讯公众号等平台推出“人物与科研”栏目，走近国内颇具代表性的课题组，关注研究、倾听故事、记录风采、发掘精神。欢迎来稿，详情请联系C菌微信号：chembeango101。

CBG资讯一直致力于追踪新鲜科研资讯、解读前沿科研成果。如果你也对科研干货、高校招聘、不定期福利（现金红包、翻译奖励、实验室耗材优惠券等）有兴趣，那么，请长按并识别下图二维码，添加C菌微信（微信号：chembeango101），备注：进群。
●苏州大学唐建新教授课题组AFM：基于闪耀光栅结构化背电极的高效有机太阳能电池
●中大李光琴教授课题组Angew. Chem. Int. Ed.：通过配位环境调控Zn单原子的电子结构用于高选择性氧还原反应●华中科技大学王得丽教授课题组Adv. Funct. Mater.：Ir原子构型工程切换电催化甲酸氧化反应路径