【成果簡介】

    近日，清華大學(xué)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Journal of the American Chemical Society上，第一作者為2017屆博士畢業(yè)生劉慧玲。

    【圖文導(dǎo)讀】

    圖1 超薄納米線分散體的獨特粘度

    （a）顯示用于靜電紡絲的超薄納米線的1nm直徑的TEM圖像

    （b）剪切粘度作為不同濃度的辛烷中納米線溶液的旋轉(zhuǎn)速率的函數(shù)，以及相應(yīng)的表面張力

    （c）溶液中超薄納米線纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)示意圖

    圖2 加載-卸載試驗

    （a）第一次加載循環(huán)，a1為初始狀態(tài)，a3結(jié)束應(yīng)變?yōu)?6.8％

    （b）直到纖維斷裂的第二個加載循環(huán)

    （c）兩個加載循環(huán)的相應(yīng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

    （d）應(yīng)變逐漸增加的5次裝載-卸載循環(huán)試驗

    【研究內(nèi)容】

    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)用于實際中。然而無機材料由于極性鍵的組成，在機械加工上往往表現(xiàn)出硬而脆的特點，從一定程度上限制了該材料的實際應(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，他們在前期的工作中成功地構(gòu)筑了直徑在亞納米尺度（sub-1 nm）， 長度在微米量級的GdOOH納米線，在觀察到該無機納米線與直線型高分子具有相似的維度特點的同時，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。他們在電鏡觀察下發(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（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。在對纖維結(jié)構(gòu)的進一步表征中，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)特點使電紡纖維在原位拉伸實驗中表現(xiàn)出高強度低模量的材料特性，單軸拉伸強度高達(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材料的新策略，對亞納米尺度材料的發(fā)展有著積極的推動作用，為無機材料的實際應(yīng)用帶來新的契機。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。

    原文鏈接：http://www.chem.tsinghua.edu.cn/publish/chem/476/2017/20170630202303865819178/20170630202303865819178_.html

    文獻(xiàn)鏈接： Sub-1 nm Nanowire Based Superlattice Showing High Strength and Low Modulus（J. Am. Chem. Soc. ,2017,DOI: 10.1021/jacs.7b03175）

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