2024年7月5日，Science杂志报导了北京航空航天年夜学化学学院程群峰传授课题组于二维纳米复合质料研究上取患上的最新进展：《UltrastrongMXenefilminducedbysequentialbridgingwithliquidmetal》，该事情提出了“液态金属交联致密化”新计谋，哄骗液态金属易流动的特色，不只填充了纳米复合质料拆卸中因毛细紧缩孕育发生的孔隙，并且液态金属与纳米片造成配位键，年夜幅晋升了载荷通报威力，制备了迄今为止最高拉伸强度的MXene纳米复合薄膜质料，且具备优秀的电磁屏蔽机能，为其他二维纳米质料的宏不雅拆卸提供了新思绪【Science385,62-68(2024)】。这是程群峰传授课题组自2021年以来揭晓的第3篇Science。

北航化学学院2021级玻士研究生李威为第一作者，玻士后周天柱、玻士研究生张泽军、玻士研究生李雷为配合第一作者，程群峰传授为通信作者，北京航空航天年夜学、化学学院为第一单元。

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工业以及信息化部、科学技能部、财务部、中国平易近用航空局等四部分结合印发的《绿色航空打造业成长纲要（2023—2035年）》，指出成长绿色航空打造业是应答天气变迁、实现航空财产可连续成长的一定要求。此中轻量化质料是绿色航空成长的要害焦点技能之一。今朝波音、空客、C919客机年夜量使用碳纤维复合质料，实现减重以及节能减排。以及碳纤维比拟，二维纳米质料（石墨烯、碳化钛等）具备越发优秀的力学以及电学机能，是将来实现绿色航空方针的抱负质料。怎样将二维纳米质料优秀的本征机能于宏不雅拆卸体中实现是该范畴亟待解决的要害科学问题。

湿化学法（层层拆卸、真空抽滤、刮涂等）因其工艺简朴、操作利便等特色，广泛用在拆卸二维纳米质料。科研职员颠末起劲，开端解决了二维纳米复合质料拆卸历程的纳米质料分离、取向、界面作用等一系列问题，可是轻忽了湿化学法拆卸历程中的溶剂挥发引诱的毛细紧缩，从而形成二维纳米片的褶皱，进一步于复合质料中孕育发生孔隙缺陷，年夜幅降低了载荷通报威力，致使二维纳米复合质料的力学以及电学机能远低在二维纳米质料的本征机能。程群峰传授课题组于2021年经由过程聚焦离子束/扫描电子显微镜联用以及X射线计较机断层扫描等技能三维重构了二维纳米复合质料的微不雅布局，初次发明并试验证明了因毛细紧缩孕育发生的孔隙布局【S���cience374,96-99(2021)】。并开发了有序界面交联致密化计谋，经由过程氢键以及共价键交联MXene纳米片，年夜幅降低了孔隙率，得到了兼具高力学、电学以及电磁屏蔽机能的纳米复合质料。2024年程群峰传授课题组立异性地提出了“纳米限域拆卸”新计谋，经由过程引入“纳米限域水”有用按捺了湿化学拆卸历程中二维纳米片层间的毛细紧缩，从而实现了二维纳米片规整取向。同时引入π-π交联剂，不只有用降低了孔隙率，且提高了纳米片层间的载荷通报威力。制备的MXene交联石墨烯复合薄膜质料的孔隙率仅为3.87%，拉伸强度高达1.87GPa，且显示出优秀的电化学储能机能【Science383,771-777(2024)】。

为了更有用地降低纳米复合质料的孔隙率，本事情立异性地开发了“层层拆卸”以及“刮涂”相联合的计谋。起首刮涂MXene纳米片以及细菌纤维素（BC），然后刮涂聚多巴胺润色的LM纳米颗粒（LP），于剪切力作用下LP发生变形并分裂，从而使患上内部的LM流入到孔隙布局中，这类新拆卸计谋可以实现逐层降低纳米复合质料的孔隙率（图1A-G）。同时，LM外貌的三价镓离子（Ga3+）以及MXene纳米片、BC别离造成了Ti-O→Ga3+以及C-O→Ga3+配位键，年夜幅提高了载荷通报威力。制备的LM交联MXene复合薄膜（LBM）具备迄今为止最高的拉伸强度（908.4MPa）（图1H）。

图1“液态金属交联致密化”计谋显著晋升MXene复合薄膜的力学机能

X射线光谱初次证明了MXene-LM以及BC-LM之间均造成了Ga-O配位键（图2A-D）。变温傅里叶变换红外光谱成果进一步证实LBM薄膜中存于氢键以及配位键作用，且配位键越发不变（图2E-H）。密度泛函理论（DFT）模仿计较成果展现了LBM薄膜中四种差别界面作用的强弱：MXene-MXene(弱氢键) MXene-BC(氢键) BC-LM(弱配位键) MXene-LM(强配位键)（图2I-L），证明配位键显著提高了MXene纳米片间的载荷通报威力。

图2LBM复合薄膜的界面彼此作用表征

比拟在纯MXene薄膜，LM交联LBM复合薄膜的力学拉伸强度达908.4±27.5MPa、杨氏模量达56.6±2.5GPa、韧性达9.7±0.5MJm-3（图3A）。比拟在BC/LM（BM）薄膜，LBM复合薄膜出现出锯齿状卷曲断裂边沿以及总体阶梯状慎密摆列的片层布局（图3B）。断裂机理图注解，LM以及MXene间的强配位作用加强了MXene纳米片之间载荷通报威力（图3C），与DFT计较成果相吻合（图3D）。此外，有限元模仿宏不雅阐发了LBM复合薄膜的断裂历程（图3E），成果注解加载后MXene纳米片之间会发生滑动，跟着加载的举行，因为相近的MXene纳米片的滑动，LBM复合薄膜发生了初始开裂，致使氢键的粉碎。继承加载，BC以及LM与MXene纳米片之间的配位键断裂，直到复合薄膜彻底粉碎。

图3界面协同作用晋升载荷通报威力的断裂机理

LM自己的高导电性付与了LBM复合薄膜优秀的电磁屏蔽机能，实现了二维纳米复合质料的布局功效一体化。比拟在BM薄膜，LM交联LBM复合薄膜具备更高的电磁屏蔽机能（图4A）。于8.2GHz处，当薄膜厚度从1.1μm增长至15.2μm，LBM复合薄膜的电磁屏蔽机能从26.0dB增长至58.2dB，跨越了商用尺度（20dB）（图4B）。差别厚度下LBM复合薄膜功率效率R弘远在A以及T（图4C），是以LBM复合薄膜的电磁屏蔽机理以反射为主（图4D）。比拟在其他MXene薄膜、MXene气凝胶以及MXene泡沫，LBM复合薄膜不只具备优秀的力学机能还具备优秀的电磁屏蔽机能（图4E），于是于航空航天以及柔性电子器件范畴，具备广漠的运用远景。本事情提出的“液态金属交联致密化”新计谋，为其他高机能纳米复合质料的创制提供了新思绪。

图4LBM复合薄膜的电磁屏蔽机能及机理

该事情获得中国科学院江雷院士的引导，和南洋理工年夜学电气与电子项目学院魏磊传授的帮忙。中国人平易近年夜学王艳磊副传授以及陆俊凤玻士研究生于理论模仿方面做出了主要孝敬，部门模仿计较以及机能表征获得北航高机能计较中央以及中国科学技能年夜学姑苏高档研究院理化阐发平台的鼎力大举撑持。中国科学院物理研究所禹习谦研究员以及潘弘毅玻士于三维重谈判阐发方面做出了主要孝敬。上海光源的BL13SSW线站曾经建荣教员提供了同步辐射表征的事情。该研究事情获得了国度卓异青年科学基金（52125302）、科技部重点研发规划（2021YFA0715700）、原创摸索规划工程（52350012）、国度天然科学基金面上工程（22075009）及111引智规划（B14009）等工程的资助。