北京航空航天大學化學學院郭林教授團隊、航空科學與工程學院董雷霆教授團隊及合作者在“非晶/晶體-復雜界面強韌化”制備仿貝殼氧化石墨烯基復合板材及力學性能研究方面取得了重要的進展。2022年7月7日，相關(guān)工作以Graphene oxide bulk material reinforced by heterophase platelets with multiscale interface crosslinking為題，在線發(fā)表在Nature Materials上。

目前制備的石墨烯（GO）基復合材料僅限于高性能纖維、薄膜或者輕質(zhì)泡沫材料，實現(xiàn)大尺寸的三維塊體復合板材的可控構(gòu)筑和力學性能的提升面臨著巨大的挑戰(zhàn)。精準可控、強韌化的多尺度微納米界面在GO納米薄片之間扮演著非常重要的交聯(lián)橋梁，是提升其復合材料力學性能的關(guān)鍵。

一些生物礦化硬質(zhì)組織（如貝殼、牙釉質(zhì)、骨骼等），具有高強度、高模量、高硬度、高韌性等力學性能特征。軟體動物的外殼（俗稱貝殼）是其中一種典型代表，由高度有序文石（CaCO3）片層與嵌入的少量生物蛋白質(zhì)組裝而成，具有微納米“磚-泥”結(jié)構(gòu)特征。前期研究發(fā)現(xiàn)，在這些硬質(zhì)生物礦物組織之間存在連續(xù)的非晶/結(jié)晶非均相結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效提升生物的無機相和有機相之間的黏附和相互作用。

研究團隊設計了基于“納米結(jié)構(gòu)單元合成，非晶/晶體異質(zhì)相-復雜界面構(gòu)筑及可控組裝”的復合材料組裝制備路線，實現(xiàn)了力學性能優(yōu)異的厘米尺度GO基復合板材的可控制備。這種多尺度、復雜界面協(xié)同強韌化作用是其力學性能提升的關(guān)鍵。

該研究工作為先進的柔性二維納米材料從納米尺度到宏觀尺度的可控組裝以及具備優(yōu)異的力學性能和多功能化宏觀器件的制備，提供了理論借鑒。

上圖為多尺度、多級次、多組分仿貝殼GO基復合板材的組裝設計策略。