Nature Materials：近室溫下水介質實現塊狀范德華材料納米片致密化

一、 【科學背景】 ??

六方氮化硼(hBN)和石墨等范德華(vdW)材料通常需要高溫或/和高壓，才能從顆粒狀制備成致密、機械強度高的塊狀。制備的難點在于層狀結構的每一層在平面內以共價鍵結合，但相鄰層由弱vdW相互作用結合。在實踐中，vdW材料的制備通常采用熱壓(HP)和場輔助燒結等高溫燒結方法，這些方法可以激活顆粒間緩慢的擴散過程，并將這些顆粒結合成塊狀材料。該工藝可以在較低溫度下使用熔化的燒結添加劑將顆粒熔合成塊狀材料。然而，燒結溫度很高(> 1000°C)，燒結添加劑會對最終產物的物理性能產生不利影響。冷燒結是低溫制造某些無機材料的典型方法，但它需要燒結材料或相應的前驅體的局部溶解和結晶，不適合大多數vdW材料，因為它具有較差的水溶性，或者需要高溫將相應的前驅體轉化為最終的vdW材料。目前還缺乏以低能源成本制造大塊vdW材料的證明。

與傳統工藝所需的高溫相反，最近的研究表明，在室溫下，各種堆疊的二維(2D)納米片可以通過vdW力結合形成二維vdW異質結構。盡管這些研究只涉及幾到幾十層二維納米片，它們表明了在不使用高溫的情況下，可以通過將許多二維納米片結合在一起獲得大塊vdW材料的可能性。

二、【創新成果】

近日，來自中國科學院金屬研究所的成會明院士和清華大學深圳國際研究生院的蘇陽副教授和等研究者在Nature Materials期刊發表了題為“Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets”的論文，該項研究發現典型的二維納米片材料，包括hBN，石墨烯，Ti₃C₂T_x (MXene)和過渡金屬二硫化物，在接近室溫的溫度下形成了穩定的塊狀材料，為vdW材料的制造提供了一種節能的途徑。

圖1? 成型納米片制備堅固致密的大塊vdW材料。? 2024 Springer Nature

圖2 塊體hBN的力學性能和微觀結構隨成型溫度的變化。? 2024 Springer Nature

圖3 了解水在塊狀hBN成型中的作用。? 2024 Springer Nature

圖4 成型hBN的可加工性及其熱性能。? 2024 Springer Nature

作者報告了在近室溫下致密化的二維納米片，形成孔隙率<0.1%的強體材料，其機械強度比傳統制造材料的強。機理研究表明，水介導的范德華相互作用的激活是形成堅固而致密的塊狀材料的原因。最初，水吸附在二維納米片起潤滑和促進排列作用；隨后的擠壓使排列整齊的納米片之間的間隙縮小，并使其致密成堅固的塊狀材料。水擠壓還會產生應力，應力隨成型溫度的增加而增加，過高的溫度會導致板間錯位;因此，采用近室溫成型工藝是有利的。該技術提供了一種節能的替代方案，可以設計具有定制成分和性能的各種致密塊狀范德華材料。

?三、【科學啟迪】

該項成果報道了通過在室溫下對二維納米片進行模壓，制備出一系列致密且堅固的大塊vdW材料。由于大塊vdW材料具有優異的的熱學、電學和機械性能，所以具有廣泛的工業應用。本文所報道的具有前所未有的可加工性和可擴展性的工藝為低能耗的vdW材料開辟了一條制造路線。此外，作者設想可以通過結合不同二維納米片和與其他低維材料雜化，來設計一個大的vdW材料家族，其性質值得探索。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01840-0