近日,合肥工業(yè)大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院陸楊教授研究組和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏教授研究團(tuán)隊(duì)合作,創(chuàng)新性地采用“解組裝-仿生組裝”的兩步策略,以廉價(jià)天然云母粉為原料,成功實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量云母納米片的大量制備,并組裝成高性能透明柔性仿貝殼結(jié)構(gòu)云母復(fù)合膜。這一高性能仿生復(fù)合薄膜在柔性透明電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

作為一種常見的層狀結(jié)構(gòu)鋁硅酸鹽天然礦物,云母具有特殊的可見光透過(guò)和紫外屏蔽性能,并有高電氣絕緣性、耐酸堿與高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)柔性透明電子器件等領(lǐng)域的理想材料。然而,高品位的片云母產(chǎn)量低且價(jià)格昂貴,極大限制了其應(yīng)用。

天然碎云母盡管儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉且與片云母化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)相同,但由其制備的天然云母粉的粒徑大且縱橫比低,剝離成高質(zhì)量的云母納米片也極為困難,難以通過(guò)仿生組裝制備高性能的宏觀尺度膜。

(a)云母納米片制備策略;

(b)云母粉、插層云母和云母納米片的小角度XRD;

(c)云母納米片的TEM圖像;

(d)云母納米片的AFM圖像;

(e)云母納米片的TEM-mapping圖像。

該研究團(tuán)隊(duì)攻克了天然云母粉宏量剝離等難題,通過(guò)液相剝離制備的單層或少層超薄云母納米片在溶液中可以穩(wěn)定分散超過(guò)1個(gè)月。

同時(shí),利用噴涂技術(shù),成功將超薄云母納米片與殼聚糖混合溶液組裝成微納尺度上具有“磚-泥”層狀結(jié)構(gòu)的仿貝殼結(jié)構(gòu)云母復(fù)合膜,并進(jìn)行了組分和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

(a-c)云母納米片分散液的濃度與起始的濃度、超聲功率和體積的關(guān)系;(d)云母納米片的宏量制備過(guò)程;(e)云母納米片的產(chǎn)量與剝離次數(shù)的關(guān)系;(f)云母納米片的分散液;(g-i)聚酰亞胺修飾的云母納米片的熱重、厚度和穩(wěn)定性。

研究結(jié)果表明,當(dāng)云母含量達(dá)到60%時(shí),這一新型復(fù)合膜顯示出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度(拉伸應(yīng)力~260MPa,楊氏模量16.2GPa)、良好的可見光透過(guò)率(38-65%),以及獨(dú)特的紫外屏蔽性(62-100%),其整體性能優(yōu)于天然片云母和其他種類的粘土仿貝殼薄膜。

經(jīng)受144小時(shí)紫外(313nm)照射后,其拉伸性能幾乎不變,因此具有優(yōu)異的抗紫外老化性能。同時(shí)基于該透明薄膜已經(jīng)成功制備了可彎曲的光電檢測(cè)器件。

(a)仿生云母膜制備的示意圖;(b)不同比例的仿生云母膜的可見紫外透過(guò)率;(c-d)仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復(fù)合膜的可見光透過(guò)和紫外屏蔽性質(zhì)的對(duì)比;(e-f)大尺寸的仿生云母膜的實(shí)物照片和微觀結(jié)構(gòu);(g)不同厚度的仿生云母膜的可見紫外透過(guò)率。

這一成果易于工業(yè)化放大,而且在聚合物復(fù)合材料以及透明的紫外屏蔽涂層的研發(fā)中可以普遍推廣,為廉價(jià)低品位的天然碎云母的精加工和升級(jí)應(yīng)用提供了新的思路和技術(shù)。