清华大学王训AFM湿纺制备高柔性和拉伸性纳米线超晶格纤维

　　近年来，为了扩大纳米线的实际应用范围，研究者们尝试用各种方法，将超细纳米线组装成宏观结构，以期将纳米线的固有特性转化为宏观结构的性质，以便实际应用，如微流体技术、Langmuir-Blodgett (LB) 膜法、Langmuir-Schaeffer (LS) 膜法和外延法。考虑到无机超细纳米线在尺度上与线状高分子链相近，可以将高分子领域常用的湿纺法和静电纺丝法扩展到制备纳米线纤维。但到目前为止研究者们得到的纳米线纤维的拉伸性都不是太高，断裂伸长率较低，且对纳米线纤维的力学性能缺乏系统的研究和认识。只有通过构筑合适的纳米线多级结构才有望制备得到高柔性和拉伸性的纳米线纤维。
　　近日，清华大学王讯教授课题组采用湿纺法制备了出了具有高柔性和拉伸性的纳米线超晶格纤维，该超晶格纤维由排列良好的类弹簧亚纳米线组成。通过添加适量的超细纳米颗粒，一定程度上提高了纤维的强度。在此基础上，通过调整纳米线成分，有望制备出各种高柔性和拉伸性的纳米线纤维，对实现亚纳米线的实际应用有重要意义。相关研究成果以＂Highly Flexible and Stretchable Nanowire Superlattice Fibers Achieved by Spring‐Like Structure of Sub‐1 nm Nanowires＂为题目发表于国际知名期刊Advanced Functional Materials上。
　　羟基氧化钆亚纳米线长度为数百纳米，直径在 1 纳米以下，分散液具有高粘度。不添加四丁基溴化铵制备得到的亚纳米线纤维为白色不透明，在纤维中，纳米线几乎是笔直排列的，这种纤维的柔性和拉伸性都不太好。添加四丁基溴化铵制得的亚纳米线纤维干燥后转变为透明的，在纤维中，弹簧状的亚纳米线有序排列，这种纤维具有良好的柔韧性，可以缠绕、弯曲、扭曲和打结，并且对纤维没有任何损坏。
　　利用扫描电镜研究了不同拉伸应变的 NW 纤维的断裂机理。当纳米线纤维被拉伸时，弹簧状的纳米线朝应力方向伸直。纳米线纤维的弹性变形是由弯曲的弹簧状纳米线沿拉伸应力方向伸直引起的。当相邻的纳米线相互滑动时，纤维就会发生塑性变形。在范德华力和摩擦力的共同作用下，纳米线位移得到了抑制。当应力达到屈服点时，出现了与高分子材料类似的剪切带。在剪切带内，纳米线与拉伸方向平行。
　　之前合成的各类纳米线纤维在单轴拉伸时，纳米线克服范德华力和摩擦力滑动，直到纳米线完全分离，没有纳米线从弯曲到笔直的过程，也没有缩颈现象。同步辐射原位小角 X 射线散射结果证明弹簧状的纳米线是有序排布的，形成了超晶格结构。拉伸过程中，同步辐射原位小角 X 射线散射的各向异性变得更加明显，这表明纳米线沿拉伸方向表现出了更高的取向度。弹簧状的 NWS 组装超晶格逐渐拉直。从本质上讲，纳米线纤维的柔性和拉伸性得到提高主要是由于其直径小于 1 纳米，长径比超高以及有序的排列，另外类弹簧的纳米线结构也是十分重要的。结果表明，无机亚纳米线不仅在尺寸上与线状高分子链相似，并且还可以通过加工高分子的方法将其加工成类似高分子材料的高柔性和拉伸性材料，为制备可实际应用的无机亚纳米线材料提供了一种有效的途径。
　　文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201903477
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