亚纳米尺度:无机一维材料与有机高分子材料的新桥梁

近日,我系王训教授课题组在亚纳米尺度结构构筑及性质探索方面取得新进展,相关成果以题目“Sub?1 nm Nanowire Based Superlattice Showing High Strength and Low Modulus”发表在J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.7b03175) 上,第一作者为我系2016届博士毕业生刘慧玲。

 

图1. a)GdOOH纳米线电纺丝纤维;b)纳米线超顺排结构;c)原位力学拉伸测试;d)单根电纺丝纤维的力学特性。

 

高分子材料通常具有明显的结构柔性及良好的加工特性,因此被广泛应用于实际中。然而无机材料由于极性键的组成,在机械加工上往往表现出硬而脆的特点,从一定程度上限制了该材料的实际应用。近年来,王训教授课题组一直致力于亚纳米尺度结构的构筑及性质探索,他们在前期的工作中成功地构筑了直径在亚纳米尺度(sub-1 nm), 长度在微米量级的GdOOH纳米线,在观察到该无机纳米线与直线型高分子具有相似的维度特点的同时,该课题组敏锐地探究了GdOOH纳米线在性质上与高分子材料的相似性。他们在电镜观察下发现该纳米线具有非常明显的结构柔性,骨架可以沿各个方向任意弯曲,甚至自缠绕形成闭合的环;并且该纳米线的分散液具有与高分子溶液相似的粘性及非牛顿流体行为,研究发现此粘性很大程度上来源于纳米线与高分子相近的维度特点(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11115-11124)。

在此前期工作基础上,他们又提出了利用加工高分子材料的电纺丝技术组装加工GdOOH纳米线的新想法。在不添加任何高分子辅助剂的条件下,该课题组成功地电纺出了表面光滑、直径均匀可控的纤维材料,无机组分含量高达45%,通过利用不同的纤维接受方式还可以制备出与纸张尺寸相当的二维薄膜材料。在对纤维结构的进一步表征中,研究者们发现,在电场力作用下GdOOH纳米线在纤维中形成了超顺排结构。该结构特点使电纺纤维在原位拉伸实验中表现出高强度低模量的材料特性,单轴拉伸强度高达712.5 MPa,杨氏模量为10.3 GPa。通过发光稀土元素的掺杂,此材料仍保持无机材料的功能特性。

此研究结果发展了一种加工组装无机材料的新策略,对亚纳米尺度材料的发展有着积极的推动作用,为无机材料的实际应用带来新的契机。本课题研究得到了北京航空航天大学郭林教授及岳永海副教授等合作者在原位力学性能研究方面的大力帮助及国家自然科学基金委、中国科技部等基金的资助。