清華航院李曉雁課題組合作在熱解碳納米點(diǎn)陣材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展
清華新聞網(wǎng)3月22日電 3月18日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁課題組與美國(guó)布朗大學(xué)、加州理工學(xué)院、浙江大學(xué)合作，在《美國(guó)科學(xué)院院報(bào)》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上發(fā)表了題為《輕質(zhì)、高強(qiáng)以及缺陷不敏感的熱解碳納米點(diǎn)陣》（Lightweight, flaw-tolerant and ultrastrong nanoarchitected carbon）的研究論文。在論文中，研究者制備實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有超輕、高強(qiáng)度、大變形、缺陷不敏感的熱解碳納米點(diǎn)陣。
近二十年來(lái)，人們基于仿生設(shè)計(jì)制備了多種多樣的具有優(yōu)異力學(xué)性能的微納米多孔材料。通常，人們將密度小于水密度（1 g/cm3）的材料定義為“超輕”材料。近些年，超輕材料已經(jīng)成為了全世界材料科學(xué)和固體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)材料同時(shí)具有超輕、高強(qiáng)度、大變形、缺陷不敏感等優(yōu)異性能是現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)和制造的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
近年來(lái)，李曉雁研究組針對(duì)這一問(wèn)題和挑戰(zhàn)，采用新型微納米制備技術(shù)制備了多種微納米力學(xué)超材料，并利用原位電鏡測(cè)試對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)表征。這些微納米力學(xué)超材料展示出了優(yōu)異的力學(xué)性能。近期，李曉雁課題組采用“雙光子光刻—高溫?zé)峤狻眱刹椒ǎ▓D1A所示）制備獲得了Octet型（圖1B所示）和Iso型（圖1C所示）兩類(lèi)熱解碳納米點(diǎn)陣，其中Octet型和Iso型單胞結(jié)構(gòu)均是經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化而獲得的。這些新型熱解碳納米點(diǎn)陣的特征尺寸（即桿的直徑）最小可以達(dá)到261 nm（圖1D、E所示），超過(guò)了目前三維光刻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)的最小分辨率極限。這些熱解碳納米點(diǎn)陣的密度達(dá)到0.24-1.0 g/cm3，其強(qiáng)度介于0.05-1.90 GPa之間。特別引人關(guān)注的是，當(dāng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的密度約為1.0 g/cm3時(shí)，其強(qiáng)度高達(dá)1.9 GPa（圖2A所示）。這一強(qiáng)度接近于熱解碳材料固有的理論強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致該點(diǎn)陣的比強(qiáng)度（即強(qiáng)度與密度的比值）高達(dá)1.90 GPa g-1 cm3。這一比強(qiáng)度值比目前所有人工制備的微納米點(diǎn)陣材料的比強(qiáng)度高1-3個(gè)量級(jí)。目前，在已經(jīng)制備獲得的所有超輕材料中，這些新型熱解碳納米點(diǎn)陣具有最高的強(qiáng)度和比強(qiáng)度，未來(lái)在微納米結(jié)構(gòu)器件中有著廣泛的應(yīng)用前景。
圖1. 熱解碳納米點(diǎn)陣的兩步法制備及其微結(jié)構(gòu)
研究組采用原位電鏡測(cè)試和有限元模擬進(jìn)一步深入研究了熱解碳納米點(diǎn)陣的變形行為。研究結(jié)果表明：這些新型點(diǎn)陣的斷裂應(yīng)變高達(dá)14%，遠(yuǎn)超早先脆性材料的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（斷裂應(yīng)變僅有4%）；當(dāng)點(diǎn)陣的密度大于0.4 g/cm3時(shí)，Octet型和Iso型熱解碳納米點(diǎn)陣展示出奇特的缺陷不敏感性，即制備過(guò)程中引入的多種缺陷（如直桿彎曲、錯(cuò)位等）并不會(huì)導(dǎo)致納米點(diǎn)陣剛度和強(qiáng)度的降低（圖2B所示）。這是因?yàn)?，隨著特征尺寸的下降，材料內(nèi)部缺陷數(shù)量急劇減少，材料會(huì)表現(xiàn)出“越小越強(qiáng)”的奇特效應(yīng)。特別是，當(dāng)材料本身的特征尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，材料強(qiáng)度將會(huì)接近材料本身固有的理論強(qiáng)度極限。
這些新型熱解碳納米點(diǎn)陣展示了前所未有的力學(xué)性能：不僅具有超低的密度，而且具有超高的強(qiáng)度和比強(qiáng)度以及奇特的缺陷不敏感性。這些優(yōu)異的力學(xué)性能主要?dú)w功于：（1）對(duì)于點(diǎn)陣幾何結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)；（2）將結(jié)構(gòu)中桿件的特征尺寸控制在了納米量級(jí)；（3）采用高溫?zé)峤夥椒ǐ@得了優(yōu)質(zhì)的熱解碳材料。這一研究工作首次制備出了同時(shí)具有超輕、高強(qiáng)、大變形和缺陷不敏感的微納米力學(xué)超材料，同時(shí)為設(shè)計(jì)和大規(guī)模制備具有優(yōu)異力學(xué)性能的納米構(gòu)筑材料提供了一種切實(shí)可行的思路和方法。
圖2. 熱解碳納米點(diǎn)陣的力學(xué)性能
近年來(lái)，李曉雁研究團(tuán)隊(duì)主要從事新型微納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)研究，在相關(guān)領(lǐng)域取得了多項(xiàng)重要的成果。相關(guān)工作發(fā)表在《自然材料》（Nature Materials）、《自然通訊》（Nature Communications）、《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）以及《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)-納米材料》（ACS Nano）等期刊上。
清華大學(xué)李曉雁長(zhǎng)聘副教授、加州理工學(xué)院Julia R. Greer教授等為論文的共同通訊作者，清華大學(xué)航院張璇博士為論文第一作者。該論文得到了國(guó)家自然科學(xué)基金的經(jīng)費(fèi)支持。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2019/03/12/1817309116
供稿：航院 編輯：李華山 審核：周襄楠
