哥伦比亚工程研发中心的研究人员首次展示一项新技术，这项技术的灵感来自牡蛎的壳，这种复合材料的强度和韧性等机械性能非凡。通过改变与纳米颗粒充分混合的聚合物的结晶初始速度，这个研发团队在三个不同尺度下，成功地控制着纳米颗粒自发的结构成型。这种多尺度的定制，让基材硬度提升了一个数量级，并且保持了我们需要的聚合材料的形变能力与轻便特性 。Bykhovsky化学工程教授Sanat Kumar领导研发的这项研究成果，已经在6月7日出版的《ACS Central Science》(美国化学学会核心科学)期刊上发表。

聚合物动力学和自组装技术专家Kumar说：“本质上说，我们已经发明了一种一步到位的方法，直接构建出比其他主体材料更强的复合材料。我们每天都会接触到汽车、保护涂层、食品饮料包装等中的塑料，我们的新技术将可能提升这些商用塑料材料的机械性能，以及其他潜在物理性能。更进一步地看，我们也可能藉此制造出光电性能优异的纳米复合材料，这材料可以有许多潜在的应用，比如作为建筑物中的结构材料使用，同时它也能现场监控自身使用状况。”

约75％商用聚合物都是半结晶，比如包装用的聚乙烯和制作瓶子的聚丙烯。这些材料机械强度低，这也制约了它们在先进应用上的发展，比如轮胎、风扇、皮带、保险杠等汽车配件。数十年来，研究人员们都知道分散在聚合物、金属和陶瓷基体中的不同纳米颗粒，可以显著改善材料性能。自然界的珍珠就是一个很好的例子，珍珠由95%的无机霰石（极不稳定的碳酸钙）和5%的晶体状聚合物（几丁质）构成；珍珠的纳米结构有序分层，脆性片晶与弹性生物聚合物薄膜层的混合物显著地提升了其机械性能。另外，平行的霰石层，纳米尺度为10nm的结晶聚合物层，两者结合在一起，构成了在结构中的微米级或者更大尺寸的的“砖”，这种多尺寸长度的组合结构大大增加了其韧性。

图释：通过聚合物结晶速度来控制纳米颗粒的空间分布示意图。 如果晶体生长速度太快，杂质（此处是纳米颗粒）将被晶体吞没。然而，当晶体生长速度速度减慢时，晶体会排除缺陷。（Sanat Kumar/Columbia Engineering）

Kumar的博士生，及这篇论文第一作者Dan Zhao表示：“纳米粒子的自发有序组装成层，已经成为纳米科学领域的”圣杯“，直到现在，还没有可靠的方法来摘下这一桂冠。我们依据聚合物结晶动力学，希望能通过受控的多尺度纳米颗粒组装来攻克这一难题。”

聚合物纳米复合材料领域的研究人员们，已经在无定形的聚合物基体（即未结晶的聚合物）中，实现了对纳米颗粒组织的简单控制，但是直到现在还没有人能够将纳米颗粒组装到结晶的聚合物基体中。 

有一种依赖冰体模板的方法。用这种方法，研究人员们可以将小分子结晶（主要是水）组织成胶体颗粒。但是根据内在动力学，这个过程中，颗粒通常回被排挤到微晶粒的边界，所以研究人员们一直无法模仿珍珠和贝壳来定制多尺度的纳米颗粒。

Kumar团队，一群研究聚合物纳米复合材料的结构转变和性能变化的专家们，他们发现通过在聚合物（聚环氧乙烷）溶液中混合纳米颗粒，并通过改变亚冷却程度来改变结晶速度熔点进行结晶，他们可以在三个不同的微观和宏观尺度下，成功地控制着纳米颗粒自发的结构成型，每个纳米颗粒均匀地由聚合物覆盖，并在结晶过程开始之前均匀间隔。当聚合物结晶时，纳米颗粒然后组装成片（10-100nm），并由片构成微米级的聚集体（1-10μm）。

Kumar说“这种受控的自组装是重要的，因为它可以提高材料的刚度，同时保持它们的坚韧性，而且这些材料保留了低密度的纯半结晶聚合物，因此我们可以保持结构部件的低质量，这点对于汽车和飞机这样重要的应用来说，非常重要。我们可以改变颗粒或聚合物，以达到某些特定的材料行为或器件性能需求。

接下来，Kumar团队将探讨使粒子移动到系统某些区域的基本原理，并开发加速粒子排序的动力学方法，因为排序过程现在耗时一般几天。然后他们计划探索用其他应用驱动的聚合物/颗粒系统，例如聚交酯/纳米系统（可以被设计为下一代可生物降解和可持续的聚合物纳米复合材料）以及聚乙烯/二氧化硅系统（用在汽车保险杠，建筑物和桥梁中）。

Kumar说：“这些新型结构替代复合材料的潜力巨大，它们可能对可持续材料以及我们国家的基础设施产生深远的影响。”

参考文献：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.7b00157

来源：材料科技前沿

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