化学学报 ›› 2023, Vol. 81 ›› Issue (9): 1231-1239.DOI: 10.6023/A23050207 上一篇 下一篇
所属专题: 庆祝《化学学报》创刊90周年合辑
综述
投稿日期:
2023-05-05
发布日期:
2023-06-27
作者简介:
王华高, 北京航空航天大学材料物理与化学专业在读博士研究生, 主要从事仿生层状高分子纳米复合材料研究. |
程群峰, 北京航空航天大学化学学院, 教授, 博士生导师, 国家杰出青年科学基金获得者. 主要从事高分子纳米复合材料的研究工作, 发现了二维碳纳米复合材料“孔隙缺陷”的新现象, 发展了一系列消除孔隙缺陷的新技术和新策略, 创制了兼具高力学、电学和电磁屏蔽性能的碳纳米复合材料, 为碳纳米复合材料在航空航天领域的应用奠定了理论基础. 获北京市科学技术奖-杰出青年中关村奖、茅以升科学技术奖-北京青年科技奖、中国化学会青年化学奖等. 担任中国复合材料学会纳米复合材料分会常务副主任以及Chin. Chem. Lett., Biomater. Adv., Giant, 2D Materials等期刊编委; Interdiscip. Mater.学术编辑. 以通讯作者在Science, Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS等期刊发表论文100余篇, 引用8000余次, H因子51, 授权中国发明专利35项. |
基金资助:
Huagao Wanga, Qunfeng Chenga,b,c()
Received:
2023-05-05
Published:
2023-06-27
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冰模板技术也称为定向冷冻铸造技术, 是指将基本组装单元、溶剂和添加剂均匀分散或溶解, 利用溶剂的“液-固-气”的相转变构筑层状多孔材料的新颖技术. 受贝壳珍珠层“砖-泥”层状结构的启发, 通过对层状骨架密实化处理, 可构筑仿贝壳珍珠层复合材料. 对冰模板技术构筑的层状高分子纳米复合材料的前沿进展进行了系统的归纳和总结. 首先, 根据冰模板技术构筑不同厚度“砖”致密化策略进行分类, 分为骨架填充高分子、骨架热压处理和骨架矿化三种策略, 通过实例解读每种策略构筑的典型层状高分子纳米复合材料及其性能. 随后, 对冰模板技术构筑的层状高分子纳米复合材料的设计与功能特性进行了分析和讨论, 如调控微观结构、引入功能基元材料和提高界面相互作用等, 不仅改善了层状高分子纳米复合材料的力学性能, 同时赋予了纳米复合材料电磁屏蔽、导热和结构完整自监测等功能. 最后, 对冰模板技术仿生构筑的层状高分子纳米复合材料的结构设计、性能优化和应用拓展等未来的发展方向及存在的挑战进行了展望.
王华高, 程群峰. 冰模板技术仿生构筑层状高分子纳米复合材料的研究进展★[J]. 化学学报, 2023, 81(9): 1231-1239.
Huagao Wang, Qunfeng Cheng. Recent Advances in the Nacre-inspired Layered Polymer Nanocomposites by Ice Templating Technique★[J]. Acta Chimica Sinica, 2023, 81(9): 1231-1239.
[1] |
Wegst, U. G.; Bai, H.; Saiz, E.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Nat. Mater. 2015, 14, 23.
doi: 10.3390/ma14010023 |
[2] |
Peng, J.; Cheng, Q. Acta Phys. Chim. Sin. 2020, 38, 2005006.
|
[3] |
Li, X.; Xu, Z.-H.; Wang, R. Nano Lett. 2006, 6, 2301.
doi: 10.1021/nl061775u |
[4] |
Yaraghi, N. A.; Kisailus, D. Annu. Rev. Phys. Chem. 2018, 69, 23.
doi: 10.1146/physchem.2018.69.issue-1 |
[5] |
Launey, M. E.; Munch, E.; Alsem, D. H.; Barth, H. B.; Saiz, E.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Acta Mater. 2009, 57, 2919.
doi: 10.1016/j.actamat.2009.03.003 |
[6] |
Meyers, M. A.; Chen, P. Y.; Lopez, M. I.; Seki, Y.; Lin, A. Y. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2011, 4, 626.
doi: 10.1016/j.jmbbm.2010.08.005 pmid: 21565713 |
[7] |
Barthelat, F.; Espinosa, H. D. Exp. Mech. 2007, 47, 311.
|
[8] |
Song, F.; Soh, A. K.; Bai, Y. L. Biomaterials 2003, 24, 3623.
pmid: 12809793 |
[9] |
Barthelat, F.; Tang, H.; Zavattieri, P.; Li, C.; Espinosa, H. J. Mech. Phys. Solids 2007, 55, 306.
doi: 10.1016/j.jmps.2006.07.007 |
[10] |
Espinosa, H. D.; Rim, J. E.; Barthelat, F.; Buehler, M. J. Prog. Mater Sci. 2009, 54, 1059.
doi: 10.1016/j.pmatsci.2009.05.001 |
[11] |
Barthelat, F. Science 2016, 354, 32.
pmid: 27846481 |
[12] |
Li, L.; Cheng, Q. Giant 2022, 12, 100117.
doi: 10.1016/j.giant.2022.100117 |
[13] |
Cheng, Q.; Huang, C.; Tomsia, A. P. Adv. Mater. 2017, 29, 1703155.
|
[14] |
Zhang, X.; Zhao, X.; Xue, T.; Yang, F.; Fan, W.; Liu, T. Chem. Eng. J. 2020, 385, 123963.
doi: 10.1016/j.cej.2019.123963 |
[15] |
Deville, S. Adv. Eng. Mater. 2008, 10, 155.
doi: 10.1002/adem.v10:3 |
[16] |
Pu, L.; Liu, Y.; Li, L.; Zhang, C.; Ma, P.; Dong, W.; Huang, Y.; Liu, T. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 47134.
doi: 10.1021/acsami.1c13863 |
[17] |
Shao, G.; Hanaor, D. A. H.; Shen, X.; Gurlo, A. Adv. Mater. 2020, 32, 1907176.
doi: 10.1002/adma.v32.17 |
[18] |
Pu, L.; Ma, H.; Dong, J.; Zhang, C.; Lai, F.; He, G.; Ma, P.; Dong, W.; Huang, Y.; Liu, T. Nano Lett. 2022, 22, 4560.
doi: 10.1021/acs.nanolett.2c01486 |
[19] |
Deville, S.; Saiz, E.; Nalla, R. K.; Tomsia, A. P. Science 2006, 311, 515.
doi: 10.1126/science.1120937 |
[20] |
Munch, E.; Launey, M. E.; Alsem, D. H.; Saiz, E.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Science 2008, 322, 1516.
doi: 10.1126/science.1164865 pmid: 19056979 |
[21] |
D'Elia, E.; Barg, S.; Ni, N.; Rocha, V. G.; Saiz, E. Adv. Mater. 2015, 27, 4788.
doi: 10.1002/adma.v27.32 |
[22] |
Mao, L.-B.; Gao, H.-L.; Yao, H.-B.; Liu, L.; Cölfen, H.; Liu, G.; Chen, S.-M.; Li, S.-K.; Yan, Y.-X.; Liu, Y.-Y.; Yu, S.-H. Science 2016, 354, 107.
pmid: 27540008 |
[23] |
Zhao, H.; Yue, Y.; Guo, L.; Wu, J.; Zhang, Y.; Li, X.; Mao, S.; Han, X. Adv. Mater. 2016, 28, 5099.
doi: 10.1002/adma.201600839 |
[24] |
Bai, H.; Walsh, F.; Gludovatz, B.; Delattre, B.; Huang, C.; Chen, Y.; Tomsia, A. P.; Ritchie, R. O. Adv. Mater. 2016, 28, 50.
doi: 10.1002/adma.201504313 |
[25] |
Picot, O. T.; Rocha, V. G.; Ferraro, C.; Ni, N.; D'Elia, E.; Meille, S.; Chevalier, J.; Saunders, T.; Peijs, T.; Reece, M. J.; Saiz, E. Nat. Commun. 2017, 8, 14425.
doi: 10.1038/ncomms14425 |
[26] |
Zhao, N.; Yang, M.; Zhao, Q.; Gao, W.; Xie, T.; Bai, H. ACS Nano 2017, 11, 4777.
doi: 10.1021/acsnano.7b01089 |
[27] |
Huang, C.; Peng, J.; Cheng, Y.; Zhao, Q.; Du, Y.; Dou, S.; Tomsia, A. P.; Wagner, H. D.; Jiang, L.; Cheng, Q. J. Mater. Chem. A 2019, 7, 2787.
doi: 10.1039/C8TA10725D |
[28] |
Zhao, S.; Zhang, H.-B.; Luo, J.-Q.; Wang, Q.-W.; Xu, B.; Hong, S.; Yu, Z.-Z. ACS Nano 2018, 12, 11193.
doi: 10.1021/acsnano.8b05739 pmid: 30339357 |
[29] |
Huang, C.; Peng, J.; Wan, S.; Du, Y.; Dou, S.; Wagner, H. D.; Tomsia, A. P.; Jiang, L.; Cheng, Q. Angew. Chem., nt. Ed. 2019, 58, 7636.
|
[30] |
Han, J.; Du, G.; Gao, W.; Bai, H. Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1900412.
doi: 10.1002/adfm.v29.13 |
[31] |
Du, G.; Mao, A.; Yu, J.; Hou, J.; Zhao, N.; Han, J.; Zhao, Q.; Gao, W.; Xie, T.; Bai, H. Nat. Commun. 2019, 10, 800.
doi: 10.1038/s41467-019-08643-x |
[32] |
Wang, L.; Song, P.; Lin, C.-T.; Kong, J.; Gu, J. Research 2020, 2020, 4093732.
|
[33] |
Guo, F.; Shen, X.; Zhou, J.; Liu, D.; Zheng, Q.; Yang, J.; Jia, B.; Lau, A. K. T.; Kim, J. K. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1910826.
doi: 10.1002/adfm.v30.19 |
[34] |
Peng, J.; Tomsia, A. P.; Jiang, L.; Tang, B. Z.; Cheng, Q. Nat. Commun. 2021, 12, 4539.
doi: 10.1038/s41467-021-24835-w |
[35] |
Cheng, Y.; Li, X.; Qin, Y.; Fang, Y.; Liu, G.; Wang, Z.; Matz, J.; Dong, P.; Shen, J.; Ye, M. Sci. Adv. 2021, 7, eabj1663.
doi: 10.1126/sciadv.abj1663 |
[36] |
Tan, G.; Zhang, J.; Zheng, L.; Jiao, D.; Liu, Z.; Zhang, Z.; Ritchie, R. O. Adv. Mater. 2019, 31, 1904603.
doi: 10.1002/adma.v31.52 |
[37] |
Meng, Y. F.; Zhu, Y. B.; Zhou, L. C.; Meng, X. S.; Yang, Y. L; Zhao, R.; Xia, J.; Yang, B.; Lu, Y. J.; Wu, H. A.; Mao, L. B.; Yu, S. H. Adv. Mater. 2022, 34, 2108267.
doi: 10.1002/adma.v34.9 |
[38] |
Xu, Z.; Wu, M.; Gao, W.; Bai, H. Sci. Adv. 2022, 8, eabo0946.
doi: 10.1126/sciadv.abo0946 |
[39] |
Zhao, H.; Liu, S.; Wei, Y.; Yue, Y.; Gao, M.; Li, Y.; Zeng, X.; Deng, X.; Kotov, N. A.; Guo, L.; Jiang, L. Science 2022, 375, 551.
doi: 10.1126/science.abj3343 |
[40] |
Zhao, N.; Li, J.; Wang, W.; Gao, W.; Bai, H. ACS Nano 2022, 16, 18959.
doi: 10.1021/acsnano.2c07862 |
[41] |
Wang, H.; Lu, R.; Yan, J.; Peng, J.; Tomsia, A. P.; Liang, R.; Sun, G.; Liu, M.; Jiang, L.; Cheng, Q. Angew. Chem., nt. Ed. 2023, 62, e202216874.
|
[42] |
Liu, P.; Li, X.; Min, P.; Chang, X.; Shu, C.; Ding, Y.; Yu, Z.-Z. Nano-Micro Lett. 2020, 13, 22.
doi: 10.1007/s40820-020-00548-5 |
[43] |
Zhao, N.; Li, M.; Gong, H.; Bai, H. Sci. Adv. 2020, 6, eabb4712.
doi: 10.1126/sciadv.abb4712 |
[44] |
Li, M.; Zhao, N.; Wang, M.; Dai, X.; Bai, H. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2205309.
doi: 10.1002/adfm.v32.39 |
[45] |
Li, M.; Wang, M.; Zhao, N.; Bai, H. ACS Nano 2022, 16, 14737.
doi: 10.1021/acsnano.2c05547 |
[46] |
Maxwell, W. A.; Gurnick, R. S.; Francisco, A. C. Tech. Rep. Arch. Image Libr. 1954, 5321, 1.
|
[47] |
Peng, J.; Huang, C.; Cao, C.; Saiz, E.; Du, Y.; Dou, S.; Tomsia, A. P.; Wagner, H. D.; Jiang, L.; Cheng, Q. Matter 2019, 2, 220.
doi: 10.1016/j.matt.2019.08.013 |
[48] |
Wu, J.; Wang, Y.; Zhang, J.; Zhao, C.; Fan, Z.; Shu, Q.; He, X.; Xuan, S.; Gong, X. Matter 2022, 5, 2265.
doi: 10.1016/j.matt.2022.04.031 |
[49] |
Mao, L.-B.; Meng, Y.-F.; Meng, X.-S.; Yang, B.; Yang, Y.-L.; Lu, Y.-J.; Yang, Z.-Y.; Shang, L.-M.; Yu, S.-H. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 18175.
doi: 10.1021/jacs.2c07296 |
[50] |
Wu, Z.; Dong, J.; Teng, C.; Li, X.; Zhao, X.; Qin, X.; Ji, C.; Zhang, Q. Compos. Commun. 2023, 39, 101543.
doi: 10.1016/j.coco.2023.101543 |
[51] |
Chi, Q.; Zhang, X.; Wang, X.; Zhang, C.; Zhang, Y.; Tang, C.; Li, Z.; Zhang, T. Compos. Commun. 2022, 33, 101195.
doi: 10.1016/j.coco.2022.101195 |
[52] |
Xu, Z.; Wu, M.; Gao, W.; Bai, H. Adv. Mater. 2020, 32, 2002695.
doi: 10.1002/adma.v32.34 |
[53] |
Li, H.; Fu, C.; Chen, N.; Zhang, T.; Liu, J.; Du, G.; Ren, L.; Zeng, X.; Sun, R. Compos. Commun. 2021, 25, 100601.
doi: 10.1016/j.coco.2020.100601 |
[1] | 戴敏, 雷钢铁, 张钊, 李智, 曹湖军, 陈萍. 五氧化二钒促进MgH2/Mg室温吸氢※[J]. 化学学报, 2022, 80(3): 303-309. |
[2] | 赵伟辰, 徐鑫, 白慧娟, 张劲, 卢善富, 相艳. 自交联聚乙烯亚胺-聚砜高温质子交换膜研究[J]. 化学学报, 2020, 78(1): 69-75. |
[3] | 段郁, 陈新, 邵正中. 柞蚕丝蛋白/桑蚕丝蛋白共混支架的制备及性能研究[J]. 化学学报, 2018, 76(3): 190-195. |
[4] | 王以轩, 刘育. 磺化杯芳烃的超分子组装体构筑及其功能[J]. 化学学报, 2015, 73(10): 984-991. |
[5] | 孙婷, 刘强, 肖继军, 赵峰, 肖鹤鸣. CL-20/HMX共晶及其为基PBX界面作用和力学性能的MD模拟研究[J]. 化学学报, 2014, 72(9): 1036-1042. |
[6] | 尹建伟, 段郁, 邵正中. 紫外光辐照制备超亲水再生丝素蛋白膜[J]. 化学学报, 2014, 72(1): 51-55. |
[7] | 高鹏, 王培境, 耿雪, 叶霖, 张爱英, 冯增国. γ-环糊精包结折叠双链PEG聚准轮烷材料的性能研究[J]. 化学学报, 2013, 71(03): 347-350. |
[8] | 戴静, 郎美东. 氧化石墨烯/PMMA 和表面官能化的石墨烯/PMMA 复合材料的制备及其力学性能的研究[J]. 化学学报, 2012, 70(11): 1237-1244. |
[9] | 廖瑞金, 朱孟兆, 严家明, 杨丽君, 周欣. 纤维素Iβ晶体热力学性质的分子动力学研究[J]. 化学学报, 2011, 69(02): 163-168. |
[10] | 董文进, 姜继森, 谢美然. 形状记忆聚(乳酸-乙醇酸)(PLLGA)的制备及性能研究[J]. 化学学报, 2010, 68(21): 2243-2249. |
[11] | 江霞蓉, 管娟, 陈新, 邵正中. 具有定向形貌的丝蛋白支架的制备[J]. 化学学报, 2010, 68(18): 1909-1914. |
[12] | 于艳春, 朱伟, 肖继军, 郭翔, 唐根, 郑剑, 肖鹤鸣. 四组分高能体系结合能和力学性能的分子动力学模拟[J]. 化学学报, 2010, 68(12): 1181-1187. |
[13] | 付一政, 胡双启, 兰艳花, 刘亚青. HTPB/增塑剂玻璃化转变温度及力学性能的分子动力学模拟[J]. 化学学报, 2010, 68(08): 809-813. |
[14] | 李从举, 黄丽, 肖斌, 冯苹. 静电纺丝法制备聚乳酸/纳米磷酸钙复合纳米纤维及其表征[J]. 化学学报, 2010, 68(06): 571-575. |
[15] | 张涛, 金俊弘, 杨胜林, 李光, 江建明. 抗紫外老化聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维的制备与表征[J]. 化学学报, 2010, 68(02): 199-204. |
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