层层叠叠：材料科学中的“砌砖”术
2020-12-18 17:40:19
很多高科技领域用到的技术，其原理往往在生活都能找到。比如说下图中的“砌墙”，每个人都不会陌生，通过将砖头及水泥以有规律的方式一层又一层地重新组合，就能砌成可遮风挡雨的新房子。
在材料学界，科学家们巧妙地将这个概念运用到了研发工作中，将材料想象成缩小至纳米级别的“砖头”，然后以类似砌墙的方式一层又一层地将纳米材料重叠在一起，完成新的构建。在英文里，类似这种操作的技术被称为layer-by-layer（LBL），也就是层层叠叠的意思。
“层层叠叠”组合有啥优势？
在这里，小编先举个自然界的例子——鲍鱼壳。鲍鱼壳是典型的层状材料，在显微镜下观察能发现薄薄的壳其实有千万层，一层碳酸钙一层高分子纤维，就像砌墙或千层糕一样，这使得鲍鱼壳有高拉伸强度和高韧性，即使摔在地上也不容易碎。
鲍鱼壳切片的彩色增强扫描电子显微照片
在材料界，对LBL的研究其实很早就开始了，比如说美国密歇根大学的Nicholas A. Kotov在多年前就用这种砌墙方式把PVA聚合物和蒙脱土（片状材料，厚度在纳米尺度）交替叠加起来形成薄膜——具体原理是让无机物纳米片或者碳管表面带上和聚合物电解质相反的电荷，然后用提拉或者旋涂工艺交替涂成厚膜。最终获得的复合材料，其拉伸强度增加一个数量级，拉伸模量提高两个数量级，聚合物的刚性变得和普通陶瓷相似了。
图片来源：NAK
在国内，最近也有一项类似“砌砖”的新成果出现，那就是湖南大学材料科学与工程学院的王建锋教授所研发的云母基纳米纸。他受鲍鱼壳的启发，以芳纶微米纤维和云母为原材料，通过将原本头发丝大小的芳纶微米纤维和云母剥离分散成纳米纤维和纳米片，再通过溶胶—凝胶—薄膜转换技术复合成千万层，大面积制备出云母基纳米纸。据悉，这种纳米纸仅需要25微米厚，就可抗4000V高压电击且耐565℃的高温，可拉长0.8倍，在高压绝缘领域有绝佳的应用前景。
采用溶胶-凝胶-薄膜转换技术制备大面积云母基纳米纸
目前这种“砌砖术”在电子、医药、生物等领域已有所应用，被誉为是最有前途的表面可控制备和改性技术。小编认为，这种工艺最大优势就在于它适用的材料相当广泛（包括聚离子、金属、陶瓷、纳米颗粒和生物分子），可通过组装各种基元和超分子来调节材料的结构和性质，相信在将来它还会有更多的相关新产品问世，造福于社会。
河西