清華新聞網(wǎng)3月18日電 范德華塊體材料，如六方氮化硼和石墨，在導(dǎo)熱和高溫結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域有重要應(yīng)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(jié)制備，能耗巨大。近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院蘇陽副教授和中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與中國科學(xué)院金屬研究所、深圳理工大學(xué)（籌）成會(huì)明院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，首先將六方氮化硼剝離為二維氮化硼納米片，然后對(duì)納米片進(jìn)行加壓密實(shí)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(gè)數(shù)量級(jí)。
研究團(tuán)隊(duì)從范德華材料的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，由于該類材料的構(gòu)筑單元之間主要以范德華力結(jié)合，只要這些構(gòu)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(shí)現(xiàn)無需高溫?zé)Y(jié)的范德華塊體材料的制備。為了驗(yàn)證這一想法，團(tuán)隊(duì)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(shí)化、高機(jī)械強(qiáng)度、納米片高度定向組裝的范德華塊體材料。同時(shí)，受益于溫和的制備工藝，該方法可用于大規(guī)模、快速制備范德華塊體材料，并可應(yīng)用于范德華塊體材料的修復(fù)、表面壓印等傳統(tǒng)燒結(jié)法難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用。
圖1.二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(jī)械強(qiáng)度及微觀結(jié)構(gòu)表征
研究進(jìn)一步揭示了納米片表面吸附水分子的誘導(dǎo)作用是近室溫組裝范德華塊體材料的關(guān)鍵機(jī)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(jìn)密實(shí)化堆垛和高定向排列；這一過程同時(shí)將水分子限制于二維納米片形成的限域空間內(nèi)，導(dǎo)致水分子脫附并快速逃逸出材料，其產(chǎn)生的毛細(xì)作用力拉近納米片間的距離，誘導(dǎo)范德華作用的形成。
圖2.近室溫制備范德華塊體材料的機(jī)制及應(yīng)用
研究提出了采用二維納米材料為構(gòu)筑單元組裝傳統(tǒng)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(zhì)量制備及多組分設(shè)計(jì)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(tǒng)材料加工的有力實(shí)驗(yàn)及科學(xué)證據(jù)。
相關(guān)研究成果以“近室溫下水輔助密實(shí)化納米片制備其范德華塊體材料”（Near-room-temperature Water-mediated Densification of Bulk van der Waals Materials from Their Nanosheets）為題，于3月15日發(fā)表于《自然·材料》（Nature Materials）期刊。
成會(huì)明院士、蘇陽為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國際研究生院博士后朱九一（現(xiàn)為中國科學(xué)院過程工程研究所副研究員）、清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級(jí)博士生李飛和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系2021級(jí)博士生侯遠(yuǎn)震為共同第一作者。論文的其他重要合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授吳恒安、王奉超，中國科學(xué)院金屬研究所研究員杜金紅等。研究得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、深圳市科創(chuàng)委等的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-024-01840-0
供稿：深圳國際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
