仿贝壳氧化石墨烯基复合板材研究取得重要进展

北京航空航天大学化学学院郭林教授团队、航空科学与工程学院董雷霆教授团队及合作者在“非晶/晶体-复杂界面强韧化”制备仿贝壳氧化石墨烯基复合板材及力学性能研究方面取得了重要的进展。2022年7月7日，相关工作以Graphene oxide bulk material reinforced by heterophase platelets with multiscale interface crosslinking为题，在线发表在Nature Materials上。

目前制备的石墨烯（GO）基复合材料仅限于高性能纤维、薄膜或者轻质泡沫材料，实现大尺寸的三维块体复合板材的可控构筑和力学性能的提升面临着巨大的挑战。精准可控、强韧化的多尺度微纳米界面在GO纳米薄片之间扮演着非常重要的交联桥梁，是提升其复合材料力学性能的关键。

一些生物矿化硬质组织（如贝壳、牙釉质、骨骼等），具有高强度、高模量、高硬度、高韧性等力学性能特征。软体动物的外壳（俗称贝壳）是其中一种典型代表，由高度有序文石（CaCO3）片层与嵌入的少量生物蛋白质组装而成，具有微纳米“砖-泥”结构特征。前期研究发现，在这些硬质生物矿物组织之间存在连续的非晶/结晶非均相结构，该结构可以有效提升生物的无机相和有机相之间的黏附和相互作用。

研究团队设计了基于“纳米结构单元合成，非晶/晶体异质相-复杂界面构筑及可控组装”的复合材料组装制备路线，实现了力学性能优异的厘米尺度GO基复合板材的可控制备。这种多尺度、复杂界面协同强韧化作用是其力学性能提升的关键。

该研究工作为先进的柔性二维纳米材料从纳米尺度到宏观尺度的可控组装以及具备优异的力学性能和多功能化宏观器件的制备，提供了理论借鉴。

上图为多尺度、多级次、多组分仿贝壳GO基复合板材的组装设计策略。