新闻中心
我院科研团队成功研发高性能仿贝壳云母复合薄膜
发布时间：2018-08-06 阅读次数:719
近日，我院陆杨教授研究组和中国科学技术大学俞书宏教授研究团队合作，创新性地采用“解组装-仿生组装”的两步策略，以廉价天然云母粉为原料，成功实现了高质量云母纳米片的大量制备，并组装成高性能透明柔性仿贝壳结构云母复合膜。这一高性能仿生复合薄膜在柔性透明电子器件等领域具有广阔的应用前景。相关成果发表在7月30日出版的英国《自然-通讯》上。我校2014级博士生潘晓锋和中国科大博士后高怀岭为共同第一作者。
作为一种常见的层状结构铝硅酸盐天然矿物，云母具有特殊的可见光透过和紫外屏蔽性能，并有高电气绝缘性、耐酸碱与高温稳定性等优点，是未来柔性透明电子器件等领域的理想材料。然而，高品位的片云母产量低且价格昂贵，极大限制了其应用。天然碎云母尽管储量丰富、价格低廉且与片云母化学成分和结构相同，但由其制备的天然云母粉的粒径大且纵横比低，剥离成高质量的云母纳米片也极为困难，难以通过仿生组装制备高性能的宏观尺度膜。
该研究团队攻克了天然云母粉宏量剥离等难题，通过液相剥离制备的单层或少层超薄云母纳米片在溶液中可以稳定分散超过1个月。同时，利用喷涂技术，成功将超薄云母纳米片与壳聚糖混合溶液组装成微纳尺度上具有“砖-泥”层状结构的仿贝壳结构云母复合膜，并进行了组分和结构优化。
研究结果表明，当云母含量达到60%时，这一新型复合膜显示出优异的机械强度（拉伸应力~260 MPa，杨氏模量16.2GPa）、良好的可见光透过率（38-65%），以及独特的紫外屏蔽性（62-100%），其整体性能优于天然片云母和其他种类的粘土仿贝壳薄膜。经受144小时紫外（313 nm）照射后，其拉伸性能几乎不变，因此具有优异的抗紫外老化性能。同时基于该透明薄膜已经成功制备了可弯曲的光电检测器件。
据介绍，这一成果易于工业化放大，而且在聚合物复合材料以及透明的紫外屏蔽涂层的研发中可以普遍推广，为廉价低品位的天然碎云母的精加工和升级应用提供了新的思路和技术。 
图一：云母纳米片的制备及表征
(a) 云母纳米片制备策略；(b) 云母粉、插层云母和云母纳米片的小角度XRD；
(c) 云母纳米片的TEM图像；(d) 云母纳米片的AFM图像；(e) 云母纳米片的TEM-mapping图像。
图二：云母纳米片的放大制备
(a-c) 云母纳米片分散液的浓度与起始的浓度、超声功率和体积的关系；
(d) 云母纳米片的宏量制备过程；(e) 云母纳米片的产量与剥离次数的关系；(f) 云母纳米片的分散液；(g-i) 聚酰亚胺修饰的云母纳米片的热重、厚度和稳定性。
图三：仿生云母膜的光学性能
(a) 仿生云母膜制备的示意图；(b) 不同比例的仿生云母膜的可见紫外透过率；
(c-d) 仿生云母膜和其他仿贝壳粘土复合膜的可见光透过和紫外屏蔽性质的对比；
(e-f) 大尺寸的仿生云母膜的实物照片和微观结构；(g) 不同厚度的仿生云母膜的可见紫外透过率。
相关论文信息：Nature Communications 2018, 9, 2974, DOI: 10.1038/s41467-018-05355-6
作为一种常见的层状结构铝硅酸盐天然矿物，云母具有特殊的可见光透过和紫外屏蔽性能，并有高电气绝缘性、耐酸碱与高温稳定性等优点，是未来柔性透明电子器件等领域的理想材料。然而，高品位的片云母产量低且价格昂贵，极大限制了其应用。天然碎云母尽管储量丰富、价格低廉且与片云母化学成分和结构相同，但由其制备的天然云母粉的粒径大且纵横比低，剥离成高质量的云母纳米片也极为困难，难以通过仿生组装制备高性能的宏观尺度膜。
该研究团队攻克了天然云母粉宏量剥离等难题，通过液相剥离制备的单层或少层超薄云母纳米片在溶液中可以稳定分散超过1个月。同时，利用喷涂技术，成功将超薄云母纳米片与壳聚糖混合溶液组装成微纳尺度上具有“砖-泥”层状结构的仿贝壳结构云母复合膜，并进行了组分和结构优化。
研究结果表明，当云母含量达到60%时，这一新型复合膜显示出优异的机械强度（拉伸应力~260 MPa，杨氏模量16.2GPa）、良好的可见光透过率（38-65%），以及独特的紫外屏蔽性（62-100%），其整体性能优于天然片云母和其他种类的粘土仿贝壳薄膜。经受144小时紫外（313 nm）照射后，其拉伸性能几乎不变，因此具有优异的抗紫外老化性能。同时基于该透明薄膜已经成功制备了可弯曲的光电检测器件。
据介绍，这一成果易于工业化放大，而且在聚合物复合材料以及透明的紫外屏蔽涂层的研发中可以普遍推广，为廉价低品位的天然碎云母的精加工和升级应用提供了新的思路和技术。
图一：云母纳米片的制备及表征
(a) 云母纳米片制备策略；(b) 云母粉、插层云母和云母纳米片的小角度XRD；
(c) 云母纳米片的TEM图像；(d) 云母纳米片的AFM图像；(e) 云母纳米片的TEM-mapping图像。
图二：云母纳米片的放大制备
(a-c) 云母纳米片分散液的浓度与起始的浓度、超声功率和体积的关系；
(d) 云母纳米片的宏量制备过程；(e) 云母纳米片的产量与剥离次数的关系；(f) 云母纳米片的分散液；(g-i) 聚酰亚胺修饰的云母纳米片的热重、厚度和稳定性。
图三：仿生云母膜的光学性能
(a) 仿生云母膜制备的示意图；(b) 不同比例的仿生云母膜的可见紫外透过率；
(c-d) 仿生云母膜和其他仿贝壳粘土复合膜的可见光透过和紫外屏蔽性质的对比；
(e-f) 大尺寸的仿生云母膜的实物照片和微观结构；(g) 不同厚度的仿生云母膜的可见紫外透过率。
相关论文信息：Nature Communications 2018, 9, 2974, DOI: 10.1038/s41467-018-05355-6
（宣讯/文 陆杨/图）
