清华大学王训团队制备出高柔性、可拉伸的纳米线超晶格纤维-领域趋势-仿生智能材料研究组  
清华大学王训团队制备出高柔性、可拉伸的纳米线超晶格纤维
lchaoxu 1月前 54

清华大学王训团队制备出高柔性、可拉伸的纳米线超晶格纤维

随着越来越多的无机超细纳米线被合成,它们在光学,电学和磁学中的应用引起了人们广泛的兴趣。常规的无机纳米线纤维通常不可拉伸的并且几乎没有弹性,这会限制它的实际应用。超细无机纳米线在尺寸结构上与高分子链类似,因此湿纺和静电纺丝已被应用于制造纳米线纤维。迄今为止,通过湿纺已经获得了Bi2S3,金和羟基磷灰石纳米线纤维,并且通过静电纺丝法也已经获得了GdOOH 纳米线纤维。获得的纳米线纤维具有良好的光学或机械性能。由于缺乏适当的层次结构,到目前为止获得的纳米纤维纤维的可拉伸性和断裂伸长率都很低。



清华大学王训团队受到樱桃树皮中螺旋状纤维素的启发,将这种特性应用于柔性纳米线的制造中。将长度为数百纳米,直径小于1纳米的GdOOH纳米线纺丝原液通过湿纺来制造纳米线纤维。在注射应力,剪切力和溶剂交换的影响下。通过控制纺丝原液和凝固浴,流动速率等可以得到有序的弹簧状纳米线结构。从而获得高度可拉伸的柔性纳米线纤维。该纳米线纤维断裂伸长率通常可以达到40-50%,最高伸长率可达86%。并且该纳米线纤维在缠绕,弯曲和扭曲的情况下都不会产生任何裂缝。通过拉伸试验中的结构转变和同步加速器小角X射线散射(SAXS)研究得出,纤维中整齐的弹簧状纳米线组装超晶格是产生该特性的主要原因。并且通过添加无机纳米颗粒,能够使该纳米线纤维进一步增强增韧。


图文速递


图1. GdOOH 纳米线纤维的制造工艺和形态特征。


a)亚纳米级 GdOOH 纳米线的TEM和STEM图像(插图左下,比例尺为20nm)。 照片(右边插图)显示了纳米线的分散性。b)纳米线纤维的制备过程。c)凝胶纳米线纤维。d)干燥的纳米线纤维。e)纳米线纤维的光学显微镜图像。f)在交叉偏振器的偏光显微镜下,纳米线纤维的光学图像。 纳米线纤维的轴与分析仪的极化方向之间的角度为0°。g)纳米线纤维的高倍SEM图像。h k)缠绕,弯曲,扭曲和捆绑的纳米线纤维的SEM图像。


图2. 纳米线纤维的机械特性。


a)样品的代表性应力-应变曲线。b)F1,F2,F3和F4的力学参数的比较。c)独立的F1的应变循环行为。d)60%应变下独立的F1的松弛行为。


图3.拉伸或破裂的纳米线纤维的特征。


a)自然状态下纳米线纤维的SEM图像。b,c)纳米线纤维在张力下的SEM图像。d)纳米线纤维上剪切带的SEM图像。e)拉伸断裂后纳米线纤维的SEM图像。f,g)拉伸断裂后纳米线纤维横截面的SEM图像。h)螺旋纤维的低倍SEM图像。螺旋纤维 i)外表面和j)内表面的SEM图像。k)该图显示了纳米线纤维的拉伸过程。l,m)同步加速器SAXS的示意图,用于拉伸前和拉伸状态下纳米线纤维的观察。n)源自SAXS的积分散射轮廓。


图4. 纳米线-纳米颗粒纤维的机械性能。



纳米线-纳米颗粒纤维的SEM图像a,b)10wt%纳米颗粒,c,d)7.5wt%纳米颗粒,和e,f)5wt%纳米颗粒。g)纳米线-纳米颗粒纤维的代表性应力-应变曲线。h)具有5wt%纳米颗粒的单个纳米线-纳米颗粒纤维的应变循环行为。i)具有10,7.5和5wt%纳米颗粒的纳米线-纳米颗粒纤维的机械参数的比较。


相关论文以“Highly Flexible and Stretchable Nanowire Superlattice Fibers Achieved by Spring-Like Structure of Sub-1 nm Nanowires”为题,发表在《Advanced Functional Materials》上,第一作者Simin Zhang。


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