苏阳、成会明团队发现近室温制备范德华块体材料的新方法

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范德华块体材料，如六方氮化硼和石墨，在导热和高温结构材料等领域有重要应用。然而这类范德华块体材料通常需要在高于1000°C的高温下烧结制备、能耗巨大。近日，清华大学深圳国际研究生院苏阳和中国科学院深圳先进技术研究院与中国科学院金属研究所、深圳理工大学（筹）成会明团队发现，首先将六方氮化硼剥离为二维氮化硼纳米片，然后对纳米片进行加压密实化组装，可以在近室温条件下（室温至60 °C）“自下而上”地制备氮化硼块体材料。该方法将制备该类材料的能耗降低了至少一个数量级。
       该研究团队从范德华材料的结构特性出发，由于该类材料的构筑单元之间主要以范德华力结合，只要这些构筑单元之间存在纳米及亚纳米尺度接触，就可以激活范德华作用，实现无需高温烧结的范德华块体材料的制备。为了验证这一想法，团队在近室温条件下压制了石墨烯、六方氮化硼、MXene、金属硫化物等二维纳米片，成功制备出一系列高密实化、高机械强度、纳米片高度定向组装的范德华块体材料。同时，受益于温和的制备工艺，该方法可用于大规模、快速制备范德华块体材料，并可应用于范德华块体材料的修复、表面压印等传统烧结法难以实现的应用。

图1 二维纳米片制备范德华块体材料的示意图、六方氮化硼块体材料的机械强度及微观结构表征

       研究进一步揭示了纳米片表面吸附水分子的诱导作用是近室温组装范德华块体材料的关键机制。在组装过程初期，水作为润滑剂，可降低纳米片滑移和定向排列过程中的摩擦力，促进密实化堆垛和高定向排列；这一过程同时将水分子限制于二维纳米片形成的限域空间内，导致水分子脱附并快速逃逸出材料，其产生的毛细作用力拉近纳米片间的距离，诱导范德华作用的形成。
       该工作提出了采用二维纳米材料为构筑单元组装传统块体材料的研究思想，为范德华块体材料的高效、低能耗、高质量制备及多组分设计提供了全新方案，这也是纳米材料尤其是二维材料赋能传统材料加工的有力实验及科学证据。相关成果近期以“近室温下水辅助密实化纳米片制备其范德华块体材料”(Near-room-temperature Water-mediated Densification of Bulk van der Waals Materials from Their Nanosheets)为题发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。
        中国科学院深圳先进院与金属研究所、深圳理工大学（筹）成会明院士，清华大学深圳国际研究生院副教授苏阳为论文通讯作者，清华大学深圳国际研究生院博士后朱九一博士（现为中国科学院过程工程研究所副研究员）、清华大学深圳国际研究生院2020级博士生李飞和中国科学技术大学近代力学系博士生侯远震为共同第一作者。论文的其他重要合作者包括中国科学技术大学教授吴恒安、王奉超，中国科学院金属研究所研究员杜金红等。该研究得到了科技部、国家基金委、深圳市科创委等的支持。
         论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-024-01840-0
         文章来源：清华大学
        成会明：国际知名碳材料科学家、中科院院士、发展中国家科学院院士，清华-伯克利深圳学院教授、低维材料与器件实验室主任，中科院金属所研究员。成会明院士是国家自然科学基金委工程与材料学部咨询委员会成员、无机非金属材料学科评审专家，曾任“863”计划功能材料专家组专家，被澳大利亚研究理事会、新加坡教育部、香港地区研究资助局等国家和地区聘为外部评审专家。曾任国际刊物Carbon副主编、《新型炭材料》主编，现任国际刊物Energy Storage Materials（储能材料）主编 （影响因子>15）、Science China Materials（中国科学-材料）副主编。曾任亚洲碳协会主席、两届碳国际会议共同主席，是纳米管、石墨烯和碳科学等系列国际会议学术顾问委员，在国际会议上做特邀报告130余次，在国内外碳材料领域具有重要影响。成会明院士曾获得国家自然科学二等奖、国防科技进步二等奖、何梁何利科技进步奖、美国碳学会Pettinos 奖、德国Felcht奖、桥口隆吉基金奖、辽宁省自然科学奖一等奖（2项）、美国化学会ACS Nano Lectureship奖等。他已发表学术论文550余篇，其中2007～2016年发表的论文中有ESI高被引论文72篇，论文被引用53000多次（h因子达106），获授权中国及PCT专利100余项，成立了5家高新技术材料企业。