第一作者：Chuangqi Zhao, Pengchao Zhang, Jiajia Zhou
通讯作者：Mingjie Liu
通讯单位：北京航空航天大学
研究亮点：
1. 发现了液滴在油/水/凝胶系统中的超铺展行为。
2.提出了一种在不混溶的水凝胶/油界面处利用剪切流诱导的二维纳米片排列来生产具有高度有序的层状结构的纳米复合材料的策略。
3. 发展了高性能层状纳米复合材料的连续可扩展的普适性制备方法。
层状纳米复合材料
牙齿、骨头、贝壳这些生物材料，都具有极高的力学性能，包括强度、韧性和模量。仿生学研究告诉我们，生物材料的超高力学性能主要归因于具有延展性的有机基质与其中的无机纳米材料形成的多级次有序结构。尤其是具有二维层状结构的纳米片，其精准的微观结构，为生物材料的力学性能起到至关重要的作用。
受生物材料启发，研究人员开发了一系列组装方法，来构筑这种仿生纳米复合材料。比较常见的策略包括：逐层组装法、浇铸法，真空过滤法，以及磁场辅助法等等。
虽然取得了大量进展，但是在该领域，还存在一个关键问题悬而未决：对于这些具有超高力学性能的层状纳米复合材料，如何实现普适性的、经济可行的规模化生产？这一问题，始终制约着高性能层状纳米复合材料的实际应用。
成果简介
有鉴于此，北京航空航天大学刘明杰等人发现了液滴在油/水/凝胶系统中的超铺展行为，提出了一种在不混溶的水凝胶/油界面处利用剪切流诱导的二维纳米片排列来生产具有高度有序的层状结构的纳米复合材料的策略，并基于此发展了一种高性能层状纳米复合材料的连续可扩展的普适性制备方法。
图1. 示意图
要点1. 基本原理
之前研究表明，通过控制三相接触线的前进或后退运动，液体流动可促进纳米填料的定向组装。最近，刘明杰团队发现，液滴可以在油/水/凝胶体系中的可混溶凝胶表面上迅速而完全地铺展，这种现象被称为超铺展现象。
研究结果表明，在硅油中，由氧化石墨烯（GO）纳米片和藻酸钠（NaAlg）组成的反应溶液液滴（0.09 wt％的GO和0.18 wt％的NaAlg组成的溶液，10 μL），可以在358 ms内在完全溶胀的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝胶表面实现超铺展，在水凝胶/油界面处自发且完全铺展，并在液体水凝胶/油界面处的形成一层超薄且均匀的水层。
要点2. 大面积纳米复合薄膜连续制备工艺
1）一系列注射器同时挤出反应溶液，在硅油中进行超铺展。
2）预先进入CaCl2的水凝胶中，Ca2+离子从水凝胶表面扩散到反应溶液中，使NaAlg交联，对齐的纳米片通过NaAlg与Ca2+离子的原位交联而固定，含有GO纳米片的超铺层在3分钟内转化为藻酸钙（CA）水凝胶薄膜。
3）将该CA水凝胶膜浸入水浴后，可以容易地从水凝胶表面分离，干燥并成卷，得到连续且均匀的无缺陷的GO / CA纳米复合膜（实验室宽度约为5 cm）。
图2. 材料结构
要点3. 优异性能
基于此方法制备的氧化石墨烯和粘土纳米片的纳米复合材料，拉伸强度高达1,215±80 MPa，杨氏模量为198.8±6.5 GPa，分别比天然珍珠母高9.0和2.8倍。如果使用粘土纳米片时，所得的纳米复合材料的韧性可以达到每立方米36.7±3.0 MJ/m3，是天然珍珠母的20.4倍；同时，抗张强度为1,195±60 MPa。
定量分析表明，排列良好的纳米片形成了关键的中间相，这是实现高力学性能的关键。
图3. 材料性能
小结
总之，这项研究为高性能层状复合材料的规模化普适性生产提供了全新的思路，极大地推动了二维材料和纳米复合材料的实用化进程。
参考文献：
Chuangqi Zhao et al. Layered nanocomposites by shear-flow-induced alignment of nanosheets. Nature 2020, 580, 210–215.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8
文章出处：纳米人
