近期，中国科大苏州高研院仿生界面材料科学全国重点实验室程群峰教授课题组在仿生限域组装高性能人造贝壳的研究中取得重要进展。该研究成果以“Ultratough Confined Conductive Artificial Nacre”为题发表在国际期刊《Advanced Functional Materials》上。
人造贝壳的制备示意图及性能
天然贝壳卓越的韧性放大因子为制备高性能纳米复合材料带来了仿生启示：规整层状有序结构和丰富界面作用。受此启发，研究人员采用具有本征高力学性能的二维纳米材料如氧化铝，氧化石墨烯，MXene，蒙脱土等作为组装基元，开发多种组装策略制备出具有高断裂韧性的仿贝壳层状块体纳米复合材料。值得注意的是，在组装过程中，毛细收缩使纳米材料发生褶皱，产生孔隙缺陷，或界面相互作用弱，这极大地降低了应力传递效率，导致仿贝壳纳米复合材料的韧性放大因子仍然远低于天然贝壳。近年来，限域组装策略表明限域空间能够促进片层取向、限制聚合物链运动、增强界面能相互作用以及降低孔隙率，从而有效提升了纳米复合材料的力学性能。基于此，本研究提出刮涂和热压相结合策略在文石片层间构筑限域空间，通过聚乙烯醇和碳纳米管双氢键网络界面桥接制备超韧导电人造贝壳。所制备的人造贝壳的比断裂韧性和韧性放大因子分别为11.2 MPa m1/2/(Mg m-3)和100.5，超越天然贝壳和已报道的其他仿贝壳纳米复合材料。此外，人造贝壳在高/低温处理后展现出优异的力学性能稳定性，其韧性放大因子保持率大于88%。人造贝壳因其优异的电导率，兼具自监测功能和电磁屏蔽性能，在交通运输和航空航天工程等领域具有广阔的应用前景。该研究提出的限域组装策略为在仿贝壳块体纳米复合材料中发挥贝壳韧性放大因子提供了新思路。
该工作得到中国科大苏州高等研究院和仿生界面材料科学全国重点实验室等平台的大力支持。该工作还得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、中国博士后科学基金、苏州实验室开放课题基金以及科学探索奖等项目的资助。
论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.77573
（中国技术大学苏州高等研究院）
