本报讯(记者朱汉斌 通讯员朱嘉豪)近日,中山大学化学学院教授郑治坤团队成功制备出高韧性、高弹性、高机械强度的编织晶界聚合物均孔膜,并报告了一种利用牺牲性小分子结构导向剂导向相邻晶畴形成编织晶界结构的制备方法。相关成果发表于《自然》。
晶界是晶体内部的缺陷结构。天然和合成晶态材料通常是由多个单晶晶畴连接到一起,其间的大量晶界制约着材料的机械稳定性。其对由单层原子或少数原子层构成的二维晶体造成的影响格外严重,一个线性晶界就会导致二维晶体薄膜的断裂。此外,如同木材刚劲则容易折断、柔软则难以承重,二维晶体的机械强度与韧性往往相互制约。
经过大量观察和实验,郑治坤团队想到了高分子材料中的一种典型结构——编织结构。如同毛衣由毛线经纬交织而成,部分高分子材料在聚合时也能相互缠绕、交错,从而拥有较强的柔性。“这种结构一般不会在晶体中存在,但为了获得这种柔性,也许可以把这种结构迁移到晶体中去。”郑治坤说。
在这个思路的指导下,郑治坤团队在制备二维晶体聚合物时加入牺牲性导向试剂,以线性聚合物为“梭”,利用其自发缠绕、穿插的特性,将二维聚合物编织起来,形成编织晶界。待晶界形成,线性聚合物又会随排异的结晶过程自动离开。
实验表明,这种全新晶界结构——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜,具有高韧性、高弹性和高机械强度的特点,其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时,裂纹不扩展,且不影响裂纹附近膜的机械性能。
郑治坤表示:“该工作为晶态材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了坚实的基础。”该研究通过构建编织晶界,创建了一种改善晶态材料脆性并同步增强其机械强度和韧性的方法,有望拓展晶体膜在分离、光电、柔性器件等领域的应用。
相关论文信息:
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07505-x