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氮化硼纳米片“封闭”与增强的自修复复合材料
注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析
自修复材料因为具有节省成本、延长使用寿命以及绿色环保等优势，受到人们的持续关注。这些年来，虽然自修复材料的发展取得了很大的进步，但是仍然面临一个挑战：从分子结构来看，自修复材料需要聚合物的分子链具有很高的流动性，但是这一特点通常会导致自修复材料的机械性能如杨氏模量、硬度以及断裂强度的减弱。如何实现高强度、高模量的自修复材料的设计是一个十分亟需解决的问题。
对于这一难题，大自然中的一些植物体已经做出了完美的诠释。比如葡萄藤的茎部，它不仅具有很强的机械性能，还能够进行自修复。探究它们自修复的一个重要机理为：通过细胞的机械变形与死亡细胞形成的阻隔层减少组织液的损失，即“自封闭”作用。借鉴于植物体的这一自修复机制，近日，哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室杨明教授课题组，利用二维材料氮化硼纳米片作为“密封剂”与增强填料，通过层层自组装制备出了高强度、高模量且自修复的复合材料。该材料在水中具有一定的流动性，而氮化硼的定向排列不仅抑制了聚合物向溶液中的扩散，而且使得更多的自由聚合物可以通过面内扩散参与自修复，从而达到从表面形态到性能的完全重建。由于界面共价键的形成，氮化硼的加入还可以有效的促进应力的传递，从而巧妙的实现了材料自修复性能与机械性能的同时提高。
氮化硼纳米片的“自封闭“作用
扩散模型
该课题组还对其自修复的机理进行了深入的研究，通过构建扩散模型，揭示了重要物理参数（如面内扩散系数和面外扩散系数）和自修复效果的内在关联。这一理论模型不仅成功的解释了氮化硼自组装涂层的自修复机理，而且为合理设计其它自修复材料提供了重要的参考依据。进一步的研究发现，这一技术还可以实现独立自修复薄膜的制备，拓展了这种新型功能材料的应用范围。
二维材料自石墨烯的发现以来一直备受关注，该工作所提出的氮化硼纳米片的“自封闭”作用对于其他二维材料也普遍适用，在接下来的工作中，该课题组拟将其他二维材料引入到自组装体系，实现多功能智能复合材料的构建。
该研究成果发表在ACS Nano上，得到国家自然科学基金、哈工大百人计划、哈工大基础研究基金的支持。
该论文作者为：Xiaodong Qi, Lei Yang, Jiaqi Zhu, Ying Hou*, Ming Yang*
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.6b04482
Stiffer but More Healable Exponential Layered Assemblies with Boron Nitride Nanoplatelets
ACS Nano, 2016, 10, 9434-9445, DOI: 10.1021/acsnano.6b04482
杨明教授简介
杨明博士毕业于吉林大学化学系，后赴美国密歇根大学化工系从事博士后研究，目前在哈尔滨工业大学微纳米中心工作。其代表性工作包括芳纶纳米纤维的发明（ACS Nano, 2011, 5, 6945-6954）及无机纳米球壳自组装过程的发现（Nature Chemistry, 2016, DOI: 10.1038/nchem.2641）。该课题组目前主要从事无机及高分子复合材料的研究，着重关注分子及纳米尺度的界面效应，通过深入理解多粒子、多物质的协同作用，为先进功能材料的设计提供帮助。
本文科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A：我们的出发点是通过借鉴自然界中植物修复的机制来获得高性能的修复材料。植物可以利用形成的阻断层来促进修复，而我们认为二维材料是很好的人工阻断层。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：通常情况下加入无机物会使得高分子的链状结构活动受限，从而修复能力下降，所以在本工作中最大的挑战是如何能够通过纳米片的加入，在提高机械性能的同时，不影响甚至增强自修复的效果。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：我们的材料的一个重要优势是可以作为自修复涂层，利用层层组装这一方法可以方便的引入不同的物质，开发出一系列具有不同功能的表面保护智能材料。
Q：其它您想和读者们分享的。
A：大自然总是可以用最灵巧、最经济的手段达到最好的效果，对于大自然的学习可以给我们的设计增添很多的灵感。