中科大俞書宏&合工大陸楊Nat. Commun.：變天然云母粉為高性能仿生聚合物云母膜

【引言】

超薄納米片具有優異的機械性能、光學以及電學性能，目前諸如石墨烯、過渡金屬二硫化物、層狀金屬氧化物、蒙脫土以及黑磷等二維材料都可以通過剝離法制備，尤其是石墨烯和蒙脫土已經實現了大規模剝離法制備。云母是一種宏觀透明的片狀天然粘土材料，而且具有獨特的光學性能、高電氣絕緣性以及良好的化學和熱穩定性。大尺寸的天然片云母非常稀有和昂貴，而天然云母粉更加容易獲得且相對廉價，因而利用天然云母粉組裝獲得類似甚至優于片狀云母的宏觀膜材料就具有重要的價值。由于尺寸較大且橫縱比小，云母粉難以直接通過常規的仿生組裝方法實現高性能宏觀薄膜的制備。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學俞書宏教授與合肥工業大學陸楊教授合作，提出了“解組裝-仿生組裝”的制備策略，先利用天然云母粉為原料通過插層和超聲破碎獲得高質量超薄云母納米片，然后將其與殼聚糖組裝得到宏觀仿生聚合物云母膜。利用噴涂技術將云母納米片與殼聚糖混合溶液組裝獲得的仿生云母復合膜經過組分和結構優化后，當云母含量達到60%時顯示出優異的機械強度（拉伸應力~260 MPa，楊氏模量16.2GPa）、良好的可見光透過率（38-65%），以及獨特的紫外屏蔽性（62-100%）。經受144小時紫外照射后，拉伸性能幾乎不變，證明其具有優異的抗紫外老化性能。該聚合物云母膜的整體性能優于天然片狀云母以及其他粘土仿生薄膜。由于該復合薄膜的獨特性能，研究人員基于該透明復合薄膜構建了高性能柔性光電檢測器件。該成果以題為"Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film"發表在Nature Communications上。合肥工大2014級博士生潘曉鋒和中國科大博士后高懷嶺為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1云母納米片的制備和表征

(a) 云母納米片制備策略；

(b) 云母粉、插層云母和云母納米片的小角度XRD；

(c) 云母納米片的TEM圖像；

(d) 云母納米片的AFM圖像；

(e) 云母納米片的TEM-mapping圖像。

圖2 天然云母的大規模剝離制備云母納米片

(a-c) 云母納米片分散液的濃度與起始的濃度、超聲功率和體積的關系；

(d) 云母納米片的宏量制備過程；

(e) 云母納米片的產量與剝離次數的關系；

(f) 云母納米片的分散液；

(g-i) 聚酰亞胺修飾的云母納米片的熱重、厚度和穩定性。

圖3聚合物云母膜的光學性能

(a) 仿生云母膜制備的示意圖；

(b) 不同比例的仿生云母膜的可見紫外透過率；

(c-d) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的可見光透過和紫外屏蔽性質的對比；

(e-f) 大尺寸的仿生云母膜的實物照片和微觀結構；

(g) 不同厚度的仿生云母膜的可見紫外透過率。

圖4 聚合物云母膜的機械性能以及柔性透明器件制備

(a-c) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜拉伸應力和光學性能的對比；

(d-e) 仿生云母膜的斷裂形貌和斷裂機理；

(f) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的紫外老化對比；

(g-i) 以仿生云母膜為基底的柔性電子器件。

【小結】

本文中成功實現了超薄云母納米片的大量剝離法制備，并進一步利用噴涂組裝技術將所得云母納米片制備成了具有優異的機械性能、高電絕緣性和可見紫外光選擇性的類貝殼層狀結構的仿生聚合物云母膜，其整體性能優于天然片云母和其他種類的粘土仿貝殼薄膜。基于該種聚合物云母膜的獨特性能，其在柔性透明電子器件等領域具有廣闊的應用前景。此外，該技術還有望推廣到其他聚合物復合材料以及透明的紫外屏蔽涂層的研發。

文獻鏈接：Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film?(Nat. Commun. 2018, 9, 2974, DOI: 10.1038/s41467-018-05355-6)

【團隊介紹】

俞書宏教授課題組：http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/

陸楊教授簡介：http://hgxy.hfut.edu.cn/website/index.php/cn/?Itemid=499&id=1909:2015-03-16-07-57-02&lang=cn&option=com_k2&view=item

本文由材料人生物學術組biotech供稿，材料牛審核整理。

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