近日，清華大學(xué)化學(xué)系王訓(xùn)教授課題組在亞納米尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)筑及性質(zhì)探索方面取得新進(jìn)展，相關(guān)成果以題目“Sub-1 nm Nanowire Based Superlattice Showing High Strength and Low Modulus”發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.7b03175) 上，第一作者為2017屆博士畢業(yè)生劉慧玲。
圖1. a)GdOOH納米線電紡絲纖維；b)納米線超順排結(jié)構(gòu)；c)原位力學(xué)拉伸測試；d)單根電紡絲纖維的力學(xué)特性。
高分子材料通常具有明顯的結(jié)構(gòu)柔性及良好的加工特性，因此被廣泛應(yīng)用于實(shí)際中。然而無機(jī)材料由于極性鍵的組成，在機(jī)械加工上往往表現(xiàn)出硬而脆的特點(diǎn)，從一定程度上限制了該材料的實(shí)際應(yīng)用。近年來，王訓(xùn)教授課題組一直致力于亞納米尺度結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑及性質(zhì)探索，他們?cè)谇捌诘墓ぷ髦谐晒Φ貥?gòu)筑了直徑在亞納米尺度(sub-1 nm), 長度在微米量級(jí)的GdOOH納米線，在觀察到該無機(jī)納米線與直線型高分子具有相似的維度特點(diǎn)的同時(shí)，該課題組敏銳地探究了GdOOH納米線在性質(zhì)上與高分子材料的相似性。他們?cè)陔婄R觀察下發(fā)現(xiàn)該納米線具有非常明顯的結(jié)構(gòu)柔性，骨架可以沿各個(gè)方向任意彎曲，甚至自纏繞形成閉合的環(huán)；并且該納米線的分散液具有與高分子溶液相似的粘性及非牛頓流體行為，研究發(fā)現(xiàn)此粘性很大程度上來源于納米線與高分子相近的維度特點(diǎn)(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11115-11124)。
在此前期工作基礎(chǔ)上，他們又提出了利用加工高分子材料的電紡絲技術(shù)組裝加工GdOOH納米線的新想法。在不添加任何高分子輔助劑的條件下，該課題組成功地電紡出了表面光滑、直徑均勻可控的纖維材料，無機(jī)組分含量高達(dá)45%，通過利用不同的纖維接受方式還可以制備出與紙張尺寸相當(dāng)?shù)亩S薄膜材料。在對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步表征中，研究者們發(fā)現(xiàn)，在電場力作用下GdOOH納米線在纖維中形成了超順排結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使電紡纖維在原位拉伸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出高強(qiáng)度低模量的材料特性，單軸拉伸強(qiáng)度高達(dá)712.5 MPa，楊氏模量為10.3 GPa。通過發(fā)光稀土元素的摻雜，此材料仍保持無機(jī)材料的功能特性。
此研究結(jié)果發(fā)展了一種加工組裝無機(jī)材料的新策略，對(duì)亞納米尺度材料的發(fā)展有著積極的推動(dòng)作用，為無機(jī)材料的實(shí)際應(yīng)用帶來新的契機(jī)。本課題研究得到了北京航空航天大學(xué)郭林教授及岳永海副教授等合作者在原位力學(xué)性能研究方面的大力幫助及國家自然科學(xué)基金委、中國科技部等基金的資助。
