北航最新成果，《Science》封面文章！

探索纳米复合材料的奥秘

挖掘力学性能提升的本质

新材料

科研创新再传捷报！

北航化学学院

程群峰教授课题组

在碳纳米复合材料

研究上取得最新进展

相关成果以封面文章发表于《Science》

这是程群峰教授课题组自2021年以来

发表的第3篇Science

湿化学法（层层组装、真空抽滤、刮涂等）因其工艺简单、操作方便等特点，广泛用于组装二维纳米材料。科研人员经过努力，初步解决了二维纳米复合材料组装过程的纳米材料分散、取向、界面作用等一系列问题，但是忽视了湿化学法组装过程中的溶剂挥发诱导的毛细收缩，从而造成二维纳米片的褶皱，进一步在复合材料中产生孔隙缺陷，大幅降低了载荷传递能力，导致二维纳米复合材料的力学和电学性能远低于二维纳米材料的本征性能。程群峰教授课题组在2021年通过聚焦离子束/扫描电子显微镜联用和X射线计算机断层扫描等技术三维重构了二维纳米复合材料的微观结构，首次发现并实验证实了因毛细收缩产生的孔隙结构【Science 374, 96-99 (2021)】。并开发了有序界面交联致密化策略，通过氢键和共价键交联MXene纳米片，大幅降低了孔隙率，获得了兼具高力学、电学和电磁屏蔽性能的纳米复合材料。2024年程群峰教授课题组创新性地提出了“纳米限域组装”新策略，通过引入“纳米限域水”有效抑制了湿化学组装过程中二维纳米片层间的毛细收缩，从而实现了二维纳米片规整取向。同时引入π-π交联剂，不仅有效降低了孔隙率，且提高了纳米片层间的载荷传递能力。制备的MXene交联石墨烯复合薄膜材料的孔隙率仅为3.87%，拉伸强度高达1.87GPa，且显示出优异的电化学储能性能【Science 383, 771-777 (2024)】。

为了更有效地降低纳米复合材料的孔隙率，本工作创新性地开发了“层层组装”和“刮涂”相结合的策略。首先刮涂MXene纳米片和细菌纤维素（BC），然后刮涂聚多巴胺修饰的LM纳米颗粒（LP），在剪切力作用下LP发生变形并破裂，从而使得内部的LM流入到孔隙结构中，这种新组装策略可以实现逐层降低纳米复合材料的孔隙率（图1A-G）。同时，LM表面的三价镓离子（Ga³⁺）和MXene纳米片、BC分别形成了Ti-O→Ga³⁺和C-O→Ga³⁺配位键，大幅提高了载荷传递能力。制备的LM交联MXene复合薄膜（LBM）具有迄今为止最高的拉伸强度（908.4 MPa）（图1H）。

图1 “液态金属交联致密化”策略显著提升MXene复合薄膜的力学性能

图2 LBM复合薄膜的界面相互作用表征

图3 界面协同作用提升载荷传递能力的断裂机理

图4  LBM复合薄膜的电磁屏蔽性能及机理

本研究链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4257

程群峰教授课题组网站链接：

http://chengresearch.net/zh/home-cn/