自组装结构增强纳米材料的机械和摩擦学性能

牙齿、骨骼和贝壳等天然生物材料引人注目的力学性能已经激发了研究人员模仿生物结构制备复合物材料的兴趣。这种结构构建和设计的灵感是基于在定向排列的刚性基元之间连接相对较软的聚合物，通过界面间的能量转移来实现具有机械调控需求的复合物体系。虽然模仿这种结构设计，研究已经获得了许多具有较好机械性能的软硬结合的复合物体系，但这种类似硬的砖块和软的砂浆的复合结构力学作用机制主要是基于软相与硬相间的界面结合强度。针对构建的复合结构中硬相之间如何发生力学相互作用，以及界面结构和基元特性对机械性能的力学作用机制研究尚不充分，这在很大程度上限制了仿生结构的机械性能提升。所以，需要从界面结构设计和构建材料的基元特性出发，对生物结构力学作用机制进行深入和科学的理解与认识。

近日，中国科学院化学研究所王铁研究员（点击查看介绍）课题组，受自然生物材料的界面结构和组成基元特性对机械性能增强机制的启发，利用纳米片构建了不同的自组装超结构，全面而深入地研究了界面结构和组装基元对机械和摩擦学性能的力学作用机制。通过不同手段的微观机械实验测试和理论计算分析，证明了交错连接的自组装超结构具有比常规的面对面超结构更强的机械性能，并且远优于无序混合结构。有限元模拟分析表明，交错连接超结构机械性能的优越性归因于交错区域增强的界面横向张应力和交错位点具有强的界面滑动摩擦阻力。此外，具有结晶缺陷的纳米片组装基元构建的组装超结构，因为缺陷容忍性的应力分散机制和能量耗散特征，进一步提高了交错连接超结构的机械性能和组装结构稳定性。进一步通过摩擦学和机械性能对比分析，发现结晶缺陷纳米片组装超结构表现出了比其它纳米材料更高的机械性能和耐磨性，具有与自然生物材料相当的耐磨特性。总的来说，目前提出的构建策略为未来自组装纳米材料应用具有高稳定性和耐久性提供了动力和设计指导。

图1. 构建的自组装面对面超结构和交错连接超结构的界面力学作用机制（a）。不同组装基元的力学作用机制（b）。

图2. 纳米片和自组装超结构的表征。表明了制备的单晶纳米片具有很好的晶格完整性，及结晶缺陷纳米片具有晶面局域缺陷性。展示了自组装的面对面平行排列超结构和交错连接超结构具有很好的长程有序性。

图3. 单晶纳米片不同组装结构的机械性能表征。通过实验测试对比分析了不同组装超结构的机械性能，结果表明：从无序排列、面对面排列到交错连接排列超结构，杨氏模量和硬度均依次增加。理论模型计算进一步表明了交错连接界面间较高的剪切应力和交错位点间强的摩擦相互作用为交错连接超结构的机械稳定性提供了很好的保障。有限元模拟分析表明交错连接超结构具有更高的界面剪切应力作用机制和独特的界面摩擦作用阻抗，为破裂阻抗提供了更多的力学能量转移和结构稳定性保护机制。

图4. 结晶缺陷纳米片相对于单晶纳米片超结构的机械优越性。在理想情况下，缺陷往往会引起机械性能的降低和破裂扩展发生，然而图4则显示了纳米片在一定的缺陷尺寸范围内具有机械增强的效果，这种现象被称为缺陷容忍性。这主要是因为对于给定尺寸的纳米片，当缺陷尺寸在临界破裂尺寸之下时，在结晶缺陷周围和内部分别会产生应力分散和能量转移的力学作用机制。暗示了这种缺陷容忍的纳米片组装超结构具有更高的力学作用承受能力。

图5. 横向力显微镜摩擦性能测试及与其它材料和自然生物材料的对比。横向力显微镜摩擦测试和对比分析说明，结晶缺陷纳米片组装的交错连接超结构具有更高的机械稳定性和更好的耐磨损性。对不同纳米材料、聚合物及自然生物材料的对比分析，显示了结晶缺陷纳米片组装的交错连接超结构具有与自然生物材料相当的耐磨损性能，比其它纳米材料和聚合物的耐磨损性更好。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章第一作者为中国科学院化学研究所薛振杰助理研究员，王铁研究员和薛振杰助理研究员为本文共同通讯作者。

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Mechanical and Tribological Performances Enhanced by Self-Assembled Structures

Zhenjie Xue, Xiao Li, Xiangyu Chen, Chuanhui Huang, Haochen Ye, Ailin Li, Tie Wang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202002004

王铁研究员简介

2013年起在中国科学院化学研究所任研究员，博士生导师，中国科学院大学兼职教授，福州大学和郑州大学兼职教授，北京大兴研究员理事，国仟医疗投资有限公司联合创始人，山东烟台市国家经济技术开发区副区长。获国家基金委杰出青年基金、国家万人计划科技创新领军人才、科技部中青年领军人才、优秀青年基金、中科院创新交叉团队负责人，并获得了中国分析测试协会科学技术奖一等奖（第一完成人）。应邀担任《Journal of Analytical & Molecular Techniques》编委、《Rare Metals》编委、《高等学校化学学报》青年编委和《化学进展》青年编委等。发表了一系列科研成果。在Science, Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem., Nat. Commun., Anal. Chem.等核心杂志发表论文共90余篇，他引3000余次.

王铁

https://www.x-mol.com/university/faculty/215536

课题组网站

http://acl.iccas.ac.cn/ktz/wangtie/ktzjj/