新方法實現(xiàn)近室溫制備范德華塊體材料

清華大學(xué)深圳國際研究生院與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中國科學(xué)院金屬研究所、深圳理工大學(xué)（籌）合作，通過將六方氮化硼剝離為二維氮化硼納米片，再對納米片進(jìn)行加壓密實化組裝，實現(xiàn)在近室溫條件下（室溫至60 ℃）“自下而上”地制備氮化硼塊體材料。該方法將制備該類材料的能耗降低了至少一個數(shù)量級。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然·材料》。

范德華塊體材料，如六方氮化硼和石墨，在導(dǎo)熱和高溫結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。然而這類范德華塊體材料通常需要在高于1 000℃的高溫下燒結(jié)制備，能耗巨大。

范德華材料的構(gòu)筑單元之間主要以范德華力結(jié)合。團隊猜測，只要構(gòu)筑單元之間存在納米及亞納米尺度接觸，就可以激活范德華作用，實現(xiàn)無需高溫?zé)Y(jié)的范德華塊體材料的制備。

為了驗證這一想法，團隊在近室溫條件下壓制了石墨烯、六方氮化硼、金屬硫化物等二維納米片，制備出一系列高密實化、高機械強度、納米片高度定向組裝的范德華塊體材料。受益于室溫制備工藝，該方法可用于大規(guī)模、快速制備范德華塊體材料，并應(yīng)用于范德華塊體材料的修復(fù)、表面壓印等傳統(tǒng)燒結(jié)法難以實現(xiàn)的領(lǐng)域。

此外，該研究揭示了納米片表面吸附水分子的誘導(dǎo)作用是近室溫組裝范德華塊體材料的關(guān)鍵機制。在組裝過程初期，水作為潤滑劑，可減少納米片滑移和定向排列過程中的摩擦力，促進(jìn)密實化堆垛和高定向排列，這一過程同時將水分子限制于二維納米片形成的限域空間內(nèi)，導(dǎo)致水分子脫附并快速逃逸出材料，其產(chǎn)生的毛細(xì)作用力拉近納米片間的距離，誘導(dǎo)范德華作用形成。

該研究提出了采用二維納米材料為構(gòu)筑單元組裝傳統(tǒng)塊體材料的研究思路，為范德華塊體材料的高效、低能耗、高質(zhì)量制備及多組分設(shè)計提供了全新方案，也為納米材料尤其是二維材料賦能傳統(tǒng)材料加工提供了有力的實驗及科學(xué)依據(jù)。

摘自《中國科學(xué)報》