本文提出了一種通用化和可擴展的分層方法制造層狀納米複合材料。當使用粘土納米片時，所得納米複合材料的韌性是天然珍珠的20.4倍，抗拉強度為1195±60MPa。這種策略可以很容易地擴展各種二維納米填料，應用於各種結構複合材料的製備，進而促進高性能複合材料的發展。
諸如骨骼、牙齒和軟體動物外殼之類的生物材料以其優異的強度、模量和韌性而聞名。這樣的性質通常歸因於無機成分增強了納米纖維的層狀微觀結構，尤其是具有韌性有機基質的二維（2D）納米片。在這些生物結構的啟發下，包括逐層組裝法，澆鑄法，真空過濾和磁場輔助在內的合成策略已用於開發層狀納米複合材料。如何以一種普遍、可行和可擴展的方式生產超強層狀納米複合材料仍然是一個懸而未決的問題。
近日，北京航空航天大學化學學院劉明傑教授（通訊作者）提出了一種在不相容水凝膠/油界面上利用剪切力誘導的二維納米片排列來生產具有高度有序的層狀結構的納米複合材料策略。相關論文以題為“Layered nanocomposites by shear-flow induced alignment of nanosheets”於2020年4月8日發表在Nature上。
論文鏈接
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2161-8
研究結果發現，基於氧化石墨烯和粘土納米片的納米複合材料顯示出高達1215±80MPa的拉伸強度，且楊氏模量為198.8±6.5GPa，這分別是天然珍珠的9.0倍和2.8倍。當使用粘土納米片時，所得的納米複合材料的韌性可以達到36.7±3.0 MJ/m2，這是天然珍珠的20.4倍。與此同時，抗拉強度為1195±60MPa。通過定量分析表明，排列良好的納米片形成了關鍵的界面相，從而導致納米複合材料展現出優異的機械性能。同時，這樣的策略可以很容易地擴展各種二維納米填料，應用於各種結構複合材料的製備，進而促進高性能複合材料的發展。
液體流動可以通過控制三相接觸線的運動來促進納米粒子的定向組裝。最近，作者觀察到液滴可以在油/水/凝膠系統中的凝膠表面上迅速和完全鋪展，被稱之為超鋪展。研究表明，含有氧化石墨烯（GO）納米片和海藻酸鈉（NaAlg）的反應溶液的液滴可以在硅油下完全溶脹的聚丙烯酰胺（PAAm）水凝膠的表面上在358 ms內實現超鋪展，從而在水凝膠/油界面形成均勻的液體層（圖1a）。同時通過使用一系列的擠出反應溶液，作者
將超鋪展過程擴展到一個連續的系統，從而大面積生產具有整齊排列納米片的納米複合薄膜（圖1b)。 圖1. 層狀納米複合薄膜的製備及其機理。（a）反應溶液液滴（10μl，由0.09 wt％GO和0.18wt％NaAlg）在水凝膠/油界面處自發且完全鋪展，形成薄的鋪展溶液層；（b）連續製造大面積納米複合膜的示意圖；（c）在超鋪展過程中剪切力誘導納米片取向的機理的理論研究（上）和示意圖（下）；（d）來自兩個相鄰注射器的溶液A的邊緣通過毛細作用力聚結成連續且均勻的液體層；（e）納米片通過NaAlg與Ca2+的原位交聯而固定。
在這項研究中，在包含良好分散的GO納米片和NaAlg的反應溶液中，通過選擇適當的流速、相鄰注射器之間的距離和水凝膠的移動速度，來自注射器的溶液A會迅速擴散並融合，從而在油/水凝膠界面形成均勻的超擴散溶液層。同時，預先浸入氯化鈣溶液的水凝膠中的鈣離子（Ca2+）會從水凝膠表面擴散到溶液A的超擴散層中與NaAlg發生交聯，從而在3分鐘之內將含有GO納米片的超鋪層轉化為海藻酸鈣（CA）水凝膠膜。隨後將製備的CA水凝膠膜浸入水浴中，可以容易地從水凝膠表面分離並乾燥後，得到連續且均勻的無缺陷的GO/CA納米複合薄膜，寬度在5cm左右。
圖2.控制層狀納米複合薄膜的均勻性和連續性。（a，b）主面板，直徑d的實測值與流量Q的函數關係；（c）根據距離L形成的四種納米複合薄膜；
圖3.層狀納米複合薄膜的結構表徵。（a，b）通過超鋪展和部分鋪展方法制備的GO/CA納米複合薄膜的示意圖、TEM圖像、2D SAXS圖像和方位角（φ）；（c，d）通過超鋪展策略製備的具有四種不同重量百分比的GO納米片的層狀納米複合膜的φ和取向序參數。
圖4.層狀納米複合薄膜的材料表徵。（a-c）具有不同重量百分比的納米粒子的納米複合膜(GO、粘土和碳納米管)的強度和模量、衍射矢量和tanδ與溫度的曲線；（d）在不同的層間距離d的納米片之間的界面示意圖；（e）SS-GO /粘土/ CNT納米複合膜的斷裂表面的SEM圖像；（f）分別通過超鋪展策略，LBL，流延和過濾工藝製備的SS-GO/粘土/CNT納米複合膜的強度和模量的比較；（g）通過超鋪展策略，LBL，流延和過濾工藝製備的SS-粘土/CNT納米複合薄膜的強度和韌性的比較；（h）SS-粘土/CNT納米複合膜的斷裂面SEM圖像；（i）使用多層納米複合材料薄膜製造人造珍珠；（j）對比說明人造珍珠的較高耐衝擊性。
總的來說，作者提出了一種在不混溶的水凝膠/油界面上基於超鋪展剪切流誘導的納米片排列的通用化和可擴展的分層方法，從而由多種聚合物和2D納米填料直接製造層狀納米複合膜的方法，同時在實際的應用中具有較大的潛力。（文：Caspar）
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