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  聚合物復合材料中的垂直結構是指功能性填料在材料的厚度方向有序排列、相互連接或組裝成的一系列特征結構，可以賦予材料各向異性的特性和其他優異的功能表現。近年來，眾多研究者包括作者課題組在垂直取向結構的制備方法、形態特征的調控、功能特性的提升以及功能材料的應用方面取得了眾多進展。故四川大學傅強教授/吳凱副研究員研究團隊從加工技術角度出發，對于這種既在自然界廣泛存在又利于制備高性能聚合物復合材料的垂直結構，進行了系統性總結。相關綜述在線發表于材料領域優秀期刊Advanced Materials上。

  大自然是材料結構設計最優秀的老師。本文從自然界中的垂直結構出發，系統性地討論和分析了樹干、年輪、蘆葦、木頭中的徑向和層狀形態、壁虎觸手等多種垂直取向結構與其性能和功能之間的聯系（如圖1），這些自然結構為制備對應領域的多功能聚合物復合材料提供了優秀的學習模板。

圖1 自然界中的垂直取向結構原型、性能和功能，以及相應的人造聚合物復合材料。

  鑒于此，為了能夠在聚合物材料中精細地構造這些優異的天然垂直取向結構，先進的材料制備加工技術必不可少。他們詳細地總結了用于制備具有垂直結構聚合物復合材料的多種定構加工手段，例如定向方向變換、外場誘導、模板法和3D 打印技術等。如圖2所示，上述加工方法之間也可以進行很好的耦合，如在roll-to-roll加工的時候可以將多種外場（如剪切場、電場、磁場等）集成在一套裝置中，連續化地在聚合物復合材料中構筑特定的垂直去向結構。

圖2 Roll-to-roll 多外場耦合加工流水線用于制備具有垂直的聚合物復合材料。

  在多種定構加工手段的幫助下，先進的多功能聚合物復合材料也得到了廣泛的報道。他們詳細列舉了垂直結構在聚合物功能復合材料中的廣泛應用，例如結構材料、熱管理材料（隔熱及導熱材料），介電材料，導電傳感材料，電磁屏蔽材料，水處理材料（油水分離及太陽能水體蒸發材料），電化學儲能材料等，如圖3所示。

圖3 具有垂直結構的聚合物功能復合材料的諸多應用。

  最后，如圖4所示，他們用中國民間經典傳說“牛郎織女”將“自然啟發”、“定構加工”和“聚合物復合材料的性能和功能”的關系形象的表現出來。先進的定構加工手段如同七夕之時的鵲橋，只有通過它才能讓自然界優異的垂直結構（織女）和聚合物復合材料的性能/功能（牛郎）橋連起來，在結尾本文他們也指出了垂直結構的現存問題和未來發展的新機會，希望以上觀點能為制備先進多功能聚合物復合材料做出更多貢獻。

圖4 自然垂直結構的原型、定構加工手段和用于各種應用的聚合物功能復合材料的對應關系。

  相關成果以 “Controlled Vertically Aligned Structures in Polymer Composites: Natural Inspiration, Structural Processing, and Functional Application” 為標題發表在Advanced Materials期刊上，四川大學高分子科學與工程學院2020屆碩士畢業生雷楚昕為本文的第一作者，通訊作者為四川大學高分子學院的吳凱副研究員和傅強教授。感謝國家自然科學基金面上基金（No. 51573102 和No. 51421061）、國家自然科學基金創新群體項目（No. 51721091）、江蘇省自然科學基金青年基金（No. BK20200501）對本工作的支持！

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202103495