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我国科研团队研制出高品质二维晶体薄膜

时间:2024-05-28来源:科技日报

记者5月27日从中山大学获悉,该校化学学院郑治坤教授团队成功制备出高韧性、高弹性、高机械强度的二维晶体薄膜,并报告了一种利用牺牲性小分子结构导向剂导向相邻晶畴形成编织晶界结构的制备方法,有望扩展晶体膜在分离、光电、柔性器件等领域的应用。相关成果近日刊发于《自然》杂志上。

编织晶界聚合物均孔膜合成示意图

从原油到汽油、柴油等成品油,往往需要用蒸馏、催化等方法分离不同物质。不同于传统的蒸馏法,膜分离法能够极大降低加工成本,提高分离效率和纯度。但这种方法,也对分离膜的性能提出了更高的要求。

晶界是晶体内部的缺陷结构。通常,天然和合成晶态材料是由多个单晶晶畴连接到一起,其间的大量晶界制约着材料的机械稳定性。这一影响在由单层原子或少数原子层构成的二维晶体中格外严重,一个线性晶界就将导致二维晶体薄膜的断裂。此外,如同木材刚劲则容易折断、柔软则难以承重,二维晶体的机械强度与韧性往往相互制约。

在该研究中,团队在制备二维晶体聚合物时加入牺牲性导向试剂,以线性聚合物为“梭”,利用其自发缠绕、穿插的特性,将二维聚合物编织起来,形成编织晶界。待晶界形成,线性聚合物又会随排异的结晶过程自动离开。

团队进一步实验表明,这种全新晶界结构——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜具有高韧性、高弹性和高机械强度的特点,其抗压性能接近铝合金和黄金。当材料受力断裂时,裂纹不扩展,且不影响裂纹附近膜的机械性能。

郑治坤教授指导博士生杨永航做实验。

“研究成果为二维晶体材料在柔性器件和分离膜方面的应用奠定了基础。”郑治坤表示,柔性材料可用于生产柔性显示器、柔性电池、柔性传感器等;膜分离技术则已普遍用于化工、环保、生物工程等领域,与常规膜分离相比,全结晶的聚合物膜有望以更高效率分离出更高纯度的物质。

(受访者供图)

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