【引言】

超薄納米片具有優(yōu)異的機械性能、光學以及電學性能，目前諸如石墨烯、過渡金屬二硫化物、層狀金屬氧化物、蒙脫土以及黑磷等二維材料都可以通過剝離法制備，尤其是石墨烯和蒙脫土已經(jīng)實現(xiàn)了大規(guī)模剝離法制備。云母是一種宏觀透明的片狀天然粘土材料，而且具有獨特的光學性能、高電氣絕緣性以及良好的化學和熱穩(wěn)定性。大尺寸的天然片云母非常稀有和昂貴，而天然云母粉更加容易獲得且相對廉價，因而利用天然云母粉組裝獲得類似甚至優(yōu)于片狀云母的宏觀膜材料就具有重要的價值。由于尺寸較大且橫縱比小，云母粉難以直接通過常規(guī)的仿生組裝方法實現(xiàn)高性能宏觀薄膜的制備。

【成果簡介】

近日，中國科學技術(shù)大學俞書宏教授與合肥工業(yè)大學陸楊教授合作，提出了“解組裝-仿生組裝”的制備策略，先利用天然云母粉為原料通過插層和超聲破碎獲得高質(zhì)量超薄云母納米片，然后將其與殼聚糖組裝得到宏觀仿生聚合物云母膜。利用噴涂技術(shù)將云母納米片與殼聚糖混合溶液組裝獲得的仿生云母復合膜經(jīng)過組分和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，當云母含量達到60%時顯示出優(yōu)異的機械強度（拉伸應力~260 MPa，楊氏模量16.2GPa）、良好的可見光透過率（38-65%），以及獨特的紫外屏蔽性（62-100%）。經(jīng)受144小時紫外照射后，拉伸性能幾乎不變，證明其具有優(yōu)異的抗紫外老化性能。該聚合物云母膜的整體性能優(yōu)于天然片狀云母以及其他粘土仿生薄膜。由于該復合薄膜的獨特性能，研究人員基于該透明復合薄膜構(gòu)建了高性能柔性光電檢測器件。該成果以題為"Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film"發(fā)表在Nature Communications上。合肥工大2014級博士生潘曉鋒和中國科大博士后高懷嶺為共同第一作者。

【圖文導讀】

圖1云母納米片的制備和表征

(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。

圖2 天然云母的大規(guī)模剝離制備云母納米片

(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。

圖3聚合物云母膜的光學性能

(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率；

(c-d) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的可見光透過和紫外屏蔽性質(zhì)的對比；

(e-f) 大尺寸的仿生云母膜的實物照片和微觀結(jié)構(gòu)；

(g) 不同厚度的仿生云母膜的可見紫外透過率。

圖4 聚合物云母膜的機械性能以及柔性透明器件制備

(a-c) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜拉伸應力和光學性能的對比；

(d-e) 仿生云母膜的斷裂形貌和斷裂機理；

(f) 仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的紫外老化對比；

(g-i) 以仿生云母膜為基底的柔性電子器件。

【小結(jié)】

本文中成功實現(xiàn)了超薄云母納米片的大量剝離法制備，并進一步利用噴涂組裝技術(shù)將所得云母納米片制備成了具有優(yōu)異的機械性能、高電絕緣性和可見紫外光選擇性的類貝殼層狀結(jié)構(gòu)的仿生聚合物云母膜，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。基于該種聚合物云母膜的獨特性能，其在柔性透明電子器件等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。此外，該技術(shù)還有望推廣到其他聚合物復合材料以及透明的紫外屏蔽涂層的研發(fā)。

文獻鏈接：Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film (Nat. Commun. 2018, 9, 2974, DOI: 10.1038/s41467-018-05355-6)