中国科大俞书宏院士团队《Adv. Mater.》：双限域策略构筑高性能层状纳米复合材料

高质量纳米结构单元（NBBs，如纳米线、纳米管和纳米片）的可控组装是其优异机械性能跨尺度传递的关键一环。将NBBs与聚合物基质整合为宏观组装体是制造高性能纳米复合材料的重要途径。然而，NBBs在聚合物基质中的分布和取向不可控、随机性高，这往往导致纳米复合材料的机械性能不尽人意，远低于NBBs的预期理论值。在自然界中，生物体通过精确控制NBBs的大小、形状、界面和排列方式实现强韧化生物复合材料的构筑，引起了研究人员广泛重视。近年来，中国科学技术大学俞书宏院士领导的仿生材料研究团队围绕层状结构材料的基元调控与界面设计，创制了一系列强韧化、功能化的仿生层状纳米复合材料（Nat. Commun.2017, 8, 287; Nat. Commun.2018, 9, 2974; Matter2019, 1, 412; Nat. Commun.2020, 11, 5401; Adv. Mater.2021, 20, 2105299; Adv. Mater.2022, 34, 2108267; Adv. Mater.2023, 35, 2209510; Sci. Adv.202410, eadl1884;），有效推动了仿生结构材料领域的发展。

近日，该团队针对纳米片基元在组装过程中存在结构紊乱的关键问题，基于纳米片定向组装和致密化填充的设计理念，提出“双限域”共组装策略，最终实现近乎完美的微纳层状结构（图1）。相关成果以“Highly regular layered structure via dual-spatially-confined alignment of nanosheets enables high-performance nanocomposites”为题发表在Advanced Materials。这种双限域策略有望将不同尺寸或功能的高质量纳米片有序集成，为可控构筑高性能或多功能纳米复合材料奠定方法基础。

图1. 双限域策略构筑高性能层状纳米复合材料。

对层状纳米复合材料而言，提高纳米片取向度、优化界面设计是提高其力学性能的关键。然而，大宽厚比（LAR）的纳米片在定向组装过程中常会出现孔隙和褶皱等缺陷（图2a），而小宽厚比（SAR）的纳米片由于高的空间自由度而难以实现定向排列（图2b,c）。基于此，研究人员以氧化石墨烯（GO）和锂皂石（Lap）作为两种典型的纳米片，结合海藻酸钠/钙基体（CA），在湿纺和结构致密化系列过程中，充分发挥大小片空间协同作用，实现规整的层状结构。其中，在微观尺度上，湿纺通道的微米级限域空间诱导LAR纳米片对齐。在纳米尺度上，相邻LAR纳米片在组装过程中逐渐缩小的间距作为纳米级限域空间诱导SAR纳米片定向排列（图2d, e）。在这一共组装过程中，相对运动的SAR纳米片促进起皱的LAR纳米片平坦化，从而减少宏观组装体的褶皱和空隙等缺陷（图2f-h）。

图2. 基于双限域策略定向组装纳米片。（a）LAR的组装体空隙和褶皱缺陷AFM图像；（b, c）纳米片定向过程的热动力学分析；（d, e）双限域策略的分子动力学模拟；（f-h）GO-Lap/CA纳米复合材料的表/截面图像。

通过对所制备的GO-Lap/CA纳米膜的AFM弯曲分析（图3a-c），表明规整的微观结构能够带来力学性能的提升。从纳米到宏观的多尺度力学分析进一步表明规整的微纳层状结构可以实现高效的应力传递，将纳米尺度优异的性能传递到宏观结构（图3d-f）。相较于常规的自蒸发和喷涂组装，双限域策略所制备的层状纳米复合材料具有优异的综合力学性能（图3g-i）。总体上，该研究将为纳米片基元的精准层状组装与组装体性能功能探索优化提供新思路。

图3. GO-Lap/CA纳米复合材料的力学性能研究。（a-c）AFM弯曲试验；（d-f）GO-Lap/CA纳米复合材料在不同尺度下模量或硬度；（g-i）不同策略的力学性能对比。

中国科学技术大学化学与材料科学学院化学系博士生张思超、工程科学学院近代力学系博士生侯远震、微尺度物质科学国家研究中心副研究员陈思铭为论文共同第一作者，化学系俞书宏院士、近代力学系高怀岭特任教授和朱银波副教授为共同通讯作者。

特别感谢科大理化科学实验中心李明、高关胤、白玉霞等老师在测试方面提供的帮助，感谢工程学院李峰和夏骏博士（现江苏大学校聘教授）对工作进行的有益讨论。该工作得到新基石研究员项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金重大项目、安徽省重大基础研究项目、中国科学技术大学双一流建设专项资金等项目的资助。

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来源：高分子科学前沿

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