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第一作者：Nicholas A. Kotov
通讯作者：Nicholas A. Kotov
通讯单位：密歇根大学
论文DOI: 10.1002/anie.202114140
逐层 (LbL) 组装是一种广泛使用的技术，用于自组装粘土片、碳纳米管、氧化石墨烯、纳米颗粒和其他材料的层状纳米复合材料。其他制造层状纳米复合材料的方法包括真空辅助过滤和刮涂。它们比 LbL 组装更简单，但它们都会在层状结构中引入空隙，从而降低所得纳米复合材料的性能。北京航空航天大学团队发现空隙的根本问题可以通过 MXene 片晶与羧甲基纤维素钠的顺序纳米级键合以及与硼酸盐离子的共价桥接结合来解决，从而开辟了将二维片晶自组装成连续高-性能分层纳米复合材料。逐层 (LbL) 组装是一种广泛使用的技术，用于从粘土片、碳纳米管、氧化石墨烯、纳米颗粒和其他材料组装层状纳米复合材料。经典 LbL 组装是一种循环浸洗工艺，其中通常携带表面电荷的纳米材料以保形方式吸附到前一层上。几乎所有由LbL 组装二维材料产生的纳米复合材料都具有优异的材料特性（小尺度除外），这些特性源自多层的有机-无机序列，类似于在珍珠层、骨骼和其他生物矿化组织中发现的。它们的高机械性能还与填充无机片材之间所有角落和缝隙的聚合物薄膜的紧密结合有关。其他制造层状纳米复合材料的方法包括真空辅助过滤和刮刀。这些还利用了 2D 纳米片自组装成分层堆叠的优势，但更易于实施。然而，与天然纳米复合材料和由 LbL 组装形成的纳米复合材料相比，其他方法将空隙引入层状结构，这降低了所得纳米复合材料的性能；然而，它们的分子级组织可以进一步优化以提高它们的机械性能。
在《科学》杂志上发表的一篇新论文中，Sijie Wan等人发现，对于基于新型二维材料（称为 MXenes）的层状纳米复合材料，空隙的显着减少是可行的。北京航空航天大学的团队使用从聚焦离子束和扫描电子显微镜形貌获得的三维 (3D) 重建来评估从 Ti3C2Tx
MXene 获得的复合材料中的空隙（图1a）。Cheng 小组发现，快速技术制备的 MXene 薄片复合材料中空隙的相对体积高达 15.4±0.6 %。他们还发现，很难将这些二维材料组装成紧凑的珍珠层状纳米复合材料。通过羧甲基纤维素钠与 Ti 3 C 2 T x纳米片通过氢键的相互作用应用层状复合材料的顺序桥接，成功地缓解了空隙问题。还添加了硼酸盐离子，以通过用共价键交联材料来进一步“收紧”材料。由于羧甲基纤维素倾向于附着在空隙中的分子链段上，空隙的百分比大大降低。顺序桥接的 MXene (SBM) 复合材料中的空隙体积减少到5.35±0.31%（图1b）。致密的微观结构和改进的层间相互作用大大提高了 SBM 复合材料的机械性能（图1c）。其拉伸强度为583±16 MPa，杨氏模量为27.8±2.8 GPa，韧性为15.9±1.0
MJ m -3远高于拉伸强度为87±3 MPa，杨氏模量为6.1的MXene薄膜±0.6 GPa，韧性为 1.3±0.1 MJ m -3。SBM 复合材料显示出卷曲的断裂边缘，从而验证了涉及氢键和共价键的强界面相互作用。没有桥接的 MXene 纳米复合材料显示出平坦的断裂边缘（图1d）。在薄膜中获得的最大应力超过了之前通过 LbL 技术获得的仿生纳米复合材料的例子，例如，从粘土中获得的 2D 片晶，因为单个无机片晶的机械性能和化学致密化得到了增强。这项研究代表了层状纳米复合材料的一个里程碑，因为它提供了在仿生材料典型的自组装过程中自发形成的空隙的直接证据。此外，重要的是，北航团队开发了一种简单有效的方法来缓解空洞问题并提高基于 MXenes 的纳米复合材料的性能，从而为缓解结构缺陷开辟了一条新途径，从而获得了各种技术
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202114140
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