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    2. 科研進展

      Nature Materials | 成會明團隊發現近室溫制備范德華塊體材料的新方法

      發布時間:2024-03-21 來源:文宣辦

      范德華塊體材料,如六方氮化硼和石墨,在導熱和高溫結構材料等領域有重要應用。然而這類范德華塊體材料通常需要在高于1000°C的高溫下燒結制備、能耗巨大。

      3月15日晚,中國科學院深圳先進技術研究院、深圳理工大學(籌)、中國科學院金屬研究所成會明院士與清華大學深圳國際研究生院副教授蘇陽團隊合作,首次將六方氮化硼剝離為二維氮化硼納米片,然后對納米片進行加壓密實化組裝,可以在近室溫條件下(室溫至60 °C)“自下而上”地制備氮化硼塊體材料。該方法將制備該類材料的能耗降低了至少一個數量級。


      該成果以“Near-room-temperature Water-mediated Densification of Bulk van

      ?der Waals Materials from Their Nanosheets”為題發表在《自然—材料》(Nature Materials)上。


      該研究團隊從范德華材料的結構特性出發,由于該類材料的構筑單元之間主要以范德華力結合,只要這些構筑單元之間存在納米及亞納米尺度接觸,就可以激活范德華作用,實現無需高溫燒結的范德華塊體材料的制備。為了驗證這一想法,團隊在近室溫條件下壓制了石墨烯、六方氮化硼、MXene、金屬硫化物等二維納米片,成功制備出一系列高密實化、高機械強度、納米片高度定向組裝的范德華塊體材料。同時,受益于溫和的制備工藝,該方法可用于大規模、快速制備范德華塊體材料,并可應用于范德華塊體材料的修復、表面壓印等傳統燒結法難以實現的應用。


      二維納米片制備范德華塊體材料的示意圖、六方氮化硼塊體材料的機械強度及微觀結構表征。


      研究進一步揭示了納米片表面吸附水分子的誘導作用是近室溫組裝范德華塊體材料的關鍵機制。在組裝過程初期,水作為潤滑劑,可降低納米片滑移和定向排列過程中的摩擦力,促進密實化堆垛和高定向排列;這一過程同時將水分子限制于二維納米片形成的限域空間內,導致水分子脫附并快速逃逸出材料,其產生的毛細作用力拉近納米片間的距離,誘導范德華作用的形成。

      該工作提出了采用二維納米材料為構筑單元組裝傳統塊體材料的研究思想,為范德華塊體材料的高效、低能耗、高質量制備及多組分設計提供了全新方案,這也是納米材料尤其是二維材料賦能傳統材料加工的有力實驗及科學證據。

      成會明院士、蘇陽副教授為論文通訊作者,清華大學深圳國際研究生院博士后朱九一博士(現為中國科學院過程工程研究所副研究員)、清華大學深圳國際研究生院2020級博士生李飛和中國科學技術大學近代力學系博士研究生侯遠震為共同第一作者。清華大學深圳國際研究生院為該研究第一單位。論文的其他重要合作者包括中國科學技術大學吳恒安教授、王奉超教授、中國科學院金屬研究所杜金紅研究員等。該研究得到了科技部、國家基金委、深圳市科創委等的支持。



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