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維拉諾瓦大學(xué)李波教授團隊等 Nat. Commun.：一種簡單有效的聚合物表面制備MXene涂層新方法
2024-12-05  來源：高分子科技

  MXene是一類二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物。因其卓越的電學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能，以及親水的表面性能，在水溶性功能涂層方面具有廣闊的應(yīng)用前景。如何充分發(fā)揮MXene優(yōu)異的功能性，很大程度上取決于聚合物的性能。比如MXene的熱穩(wěn)定性大大高于聚合物，因此聚合物的熔點或者玻璃化轉(zhuǎn)變溫度實際上限定了MXene涂層的使用上限。為了實現(xiàn)MXene的應(yīng)用潛能，往往需要將襯底材料擴展到具備優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能的高性能聚合物。然而大多數(shù)的高性能聚合物的表面偏疏水或者具有化學(xué)惰性，因此不能和MXene形成穩(wěn)定的界面。即使MXene沉積到了這樣的聚合物表面，水分子也能夠輕易的擴散到MXene-聚合物界面從而把MXene從聚合物的表面剝離開。之前的研究者們試圖通過聚合物的表面處理/修飾，比如等離子體處理或化學(xué)修飾，來改善MXene-聚合物界面。但是這些表面處理/修飾有可能破壞聚合物或者MXene的性能，從而降低MXene-聚合物復(fù)合材料的性能。本研究展示了一種普適的鹽輔助組裝方法（Salt-Assisted Assembly），可在各種聚合物表面上沉積超薄、均勻的MXene (Ti3C2Tx)涂層。這些涂層具有優(yōu)異的機械穩(wěn)定性和可洗滌性。將MXene涂覆在凱夫拉織物上，可以實現(xiàn)在極熱 （400攝氏度）和極冷（-70攝氏度）環(huán)境下的焦耳加熱和熱偽裝的雙功能應(yīng)用。該研究可能為太空行走、火星探索、極地冒險等極端環(huán)境下的人員和設(shè)備的提供低能耗且輕薄貼合的保護。


圖1 鹽輔助MXene在聚合物基底的組裝


  近期，Villanova University機械工程系的李波 （Bo Li）教授團隊聯(lián)合Drexel University的 Yury Gogotsi 和Temple University的劉嶺團隊開發(fā)了一種簡單有效的在疏水或具有化學(xué)惰性的聚合物表面制備MXene涂層的方法。該方法通過在MXene溶液中加入微量的可溶于水的鹽來屏蔽MXene表面部分負電荷使MXene表面更加疏水，從而促使其組裝在聚合物表面（圖1a）。這種MXene涂層展現(xiàn)出均勻平整的形貌（圖1b），并且能在實現(xiàn)超薄涂層(132 ± 40 nm)的同時，發(fā)揮MXene優(yōu)異的導(dǎo)電性能(20500 S/cm)。同時，該方法適用于不同的高性能聚合物（圖1c），并可以實現(xiàn)涂層的大尺度制備（圖1d）。該團隊利用分子動力學(xué)模擬證實了這種鹽輔助MXene在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的沉積（圖2）。與此同時，團隊發(fā)現(xiàn)不同的鹽可以調(diào)節(jié)組裝速度和組裝的結(jié)構(gòu)（比如層間距）（并且可能賦予MXene涂層新的性能（圖3）。最后，利用高性能聚合物的優(yōu)異耐熱耐低溫能力，團隊驗證了極端環(huán)境下MXene涂層的熱偽裝和焦耳加熱的應(yīng)用（圖4）。該工作以“Universal salt-assisted assembly of MXene from suspension on polymer substrates”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2024, 15, 10027）。文章第一作者為Villanova University博士生趙亮，共同第一作者為Drexel University博士生畢令怡和Temple University博士生胡嘉玥。該研究得到多項美國NSF基金的支持。


圖2 組裝機理的分子動力學(xué)模擬


圖3 鹽的種類對MXene組裝的影響


圖4 MXene涂層的熱管理應(yīng)用


  該團隊近些年在納米材料的高效組裝方面取得了一系列進展。由于研究需要，Villanova University 李波教授課題組擬在納米材料組裝領(lǐng)域招聘一名博士生（2025年秋季入學(xué)，全獎）誠摯歡迎對該領(lǐng)域有濃厚興趣的優(yōu)秀學(xué)生加入。感興趣的同學(xué)可以直接聯(lián)系李波教授 (bo.li@villanova.edu)。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53840-y

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