近日，清華大學化學系王訓教授課題組在亞納米尺度結構構筑及性質探索方面取得新進展，相關成果以題目“Sub-1 nm Nanowire Based Superlattice Showing High Strength and Low Modulus”發表在J. Am. Chem. Soc. (DOI: 10.1021/jacs.7b03175) 上，第一作者為2017屆博士畢業生劉慧玲。
圖1. a)GdOOH納米線電紡絲纖維；b)納米線超順排結構；c)原位力學拉伸測試；d)單根電紡絲纖維的力學特性。
高分子材料通常具有明顯的結構柔性及良好的加工特性，因此被廣泛應用于實際中。然而無機材料由于極性鍵的組成，在機械加工上往往表現出硬而脆的特點，從一定程度上限制了該材料的實際應用。近年來，王訓教授課題組一直致力于亞納米尺度結構的構筑及性質探索，他們在前期的工作中成功地構筑了直徑在亞納米尺度(sub-1 nm), 長度在微米量級的GdOOH納米線，在觀察到該無機納米線與直線型高分子具有相似的維度特點的同時，該課題組敏銳地探究了GdOOH納米線在性質上與高分子材料的相似性。他們在電鏡觀察下發現該納米線具有非常明顯的結構柔性，骨架可以沿各個方向任意彎曲，甚至自纏繞形成閉合的環；并且該納米線的分散液具有與高分子溶液相似的粘性及非牛頓流體行為，研究發現此粘性很大程度上來源于納米線與高分子相近的維度特點(J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11115-11124)。
在此前期工作基礎上，他們又提出了利用加工高分子材料的電紡絲技術組裝加工GdOOH納米線的新想法。在不添加任何高分子輔助劑的條件下，該課題組成功地電紡出了表面光滑、直徑均勻可控的纖維材料，無機組分含量高達45%，通過利用不同的纖維接受方式還可以制備出與紙張尺寸相當的二維薄膜材料。在對纖維結構的進一步表征中，研究者們發現，在電場力作用下GdOOH納米線在纖維中形成了超順排結構。該結構特點使電紡纖維在原位拉伸實驗中表現出高強度低模量的材料特性，單軸拉伸強度高達712.5 MPa，楊氏模量為10.3 GPa。通過發光稀土元素的摻雜，此材料仍保持無機材料的功能特性。
此研究結果發展了一種加工組裝無機材料的新策略，對亞納米尺度材料的發展有著積極的推動作用，為無機材料的實際應用帶來新的契機。本課題研究得到了北京航空航天大學郭林教授及岳永海副教授等合作者在原位力學性能研究方面的大力幫助及國家自然科學基金委、中國科技部等基金的資助。
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