2024年7月5日，Science杂志报导了北京航空航天年夜学化学学院程群峰传授课题组在二维纳米复合材料研究上获得的最新进展：《UltrastrongMXenefilminducedbysequentialbridgingwithliquidmetal》，该工作提出了“液态金属交联致密化”新策略，操纵液态金属易活动的特点，不但填充了纳米复合材料组装中因毛细缩短发生的孔隙，并且液态金属与纳米片构成配位键，年夜幅晋升了载荷传递能力，制备了迄今为止最高拉伸强度的MXene纳米复合薄膜材料，且具有优良的电磁屏障机能，为其他二维纳米材料的宏不雅组装供给了新思绪【Science385,62-68(2024)】。这是程群峰传授课题组自2021年以来颁发的第3篇Science。

北航化学学院2021级博士研究生李威为第一作者，博士后周天柱、博士研究生张泽军、博士研究生李雷为配合第一作者，程群峰传授为通信作者，北京航空航天年夜学、化学学院为第一单元。

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工业和信息化部、科学手艺部、财务部、中国平易近用航空局等四部分结合印发的《绿色航空制造业成长纲领（2023—2035年）》，指动身展绿色航空制造业是应对天气转变、实现航空财产可延续成长的必定要求。此中轻量化材料是绿色航空成长的要害焦点手艺之一。今朝波音、空客、C919客机年夜量利用碳纤维复合材料，实现减重和节能减排。和碳纤维比拟，二维纳米材料（石墨烯、碳化钛等）具有加倍优良的力学和电学机能，是将来实现绿色航空方针的抱负材料。若何将二维纳米材料优良的本征机能在宏不雅组装体中实现是该范畴亟待解决的要害科学问题。

湿化学法（层层组装、真空抽滤、刮涂等）因其工艺简单、操作便利等特点，普遍用在组装二维纳米材料。科研人员颠末尽力，初步解决了二维纳米复合材料组装进程的纳米材料分离、取向、界面感化等一系列问题，可是轻忽了湿化学法组装进程中的溶剂挥发引诱的毛细缩短，从而造成二维纳米片的褶皱，进一步在复合材猜中发生孔隙缺点，年夜幅下降了载荷传递能力，致使二维纳米复合材料的力学和电学机能远低在二维纳米材料的本征机能。程群峰传授课题组在2021年经由过程聚焦离子束/扫描电子显微镜联用和X射线计较机断层扫描等手艺三维重构了二维纳米复合材料的微不雅布局，初次发现并尝试证实了因毛细缩短发生的孔隙布局【Science374,96-99(2021)】。并开辟了有序界面交联致密化策略，经由过程氢键和共价键交联MXene纳米片，年夜幅下降了孔隙率，取得了兼具高力学、电学和电磁屏障机能的纳米复合材料。2024年程群峰传授课题组立异性地提出了“纳米限域组装”新策略，经由过程引入“纳米限域水”有用按捺了湿化学组装进程中二维纳米片层间的毛细缩短，从而实现了二维纳米片规整取向。同时引入π-π交联剂，不但有用下降了孔隙率，且提高了纳米片层间的载荷传递能力。制备的MXene交联石墨烯复合薄膜材料的孔隙率仅为3.87%，拉伸强度高达1.87GPa，且显示出优良的电化学储能机能【Science383,771-777(2024)】。

为了更有用地下降纳米复合材料的孔隙率，本工作立异性地开辟了“层层组装”和“刮涂”相连系的策略。起首刮涂MXene纳米片和细菌纤维素（BC），然后刮涂聚多巴胺润色的LM纳米颗粒（LP），在剪切力感化下LP产生变形并分裂，从而使得内部的LM流入到孔隙布局中，这类新组装策略可以实现逐层下降纳米复合材料的孔隙率（图1A-G）。同时，LM概况的三价镓离子（Ga3+）和MXene纳米片、BC别离构成了Ti-O→Ga3+和C-O→Ga3+配位键，年夜幅提高了载荷传递能力。制备的LM交联MXene复合薄膜（LBM）具有迄今为止最高的拉伸强度（908.4MPa）（图1H）。

图1“液态金属交联致密化”策略显著晋升MXene复合薄膜的力学机能

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X射线光谱初次证实了MXene-LM和BC-LM之间均构成了Ga-O配位键（图2A-D）。变温傅里叶变换红外光谱成果进一步证实LBM薄膜中存在氢键和配位键感化，且配位键加倍不变（图2E-H）。密度泛函理论（DFT）摹拟计较成果揭露了LBM薄膜中四种分歧界面感化的强弱：MXene-MXene(弱氢键) MXene-BC(氢键) BC-LM(弱配位键) MXene-LM(强配位键)（图2I-L），证实配位键显著提高了MXene纳米片间的载荷传递能力。

图2LBM复合薄膜的界面彼此感化表征

比拟在纯MXene薄膜，LM交联LBM复合薄膜的力学拉伸强度达908.4±27.5MPa、杨氏模量达56.6±2.5GPa、韧性达9.7±0.5MJm-3（图3A）。比拟在BC/LM（BM）薄膜，LBM复合薄膜显现出锯齿状卷曲断裂边沿和整体阶梯状慎密摆列的片层布局（图3B）。断裂机理图注解，LM和MXene间的强配位感化加强了MXene纳米片之间载荷传递能力（图3C），与DFT计较成果相吻合（图3D）。另外，有限元摹拟宏不雅阐发了LBM复合薄膜的断裂进程（图3E），成果注解加载后MXene纳米片之间会产生滑动，跟着加载的进行，因为临近的MXene纳米片的滑动，LBM复合薄膜产生了初始开裂，致使氢键的粉碎。继续加载，BC和LM与MXene纳米片之间的配位键断裂，直到复合薄膜完全粉碎。

图3界面协同感化晋升载荷传递能力的断裂机理

LM自己的高导电性付与了LBM复合薄膜优良的电磁屏障机能，实现了二维纳米复合材料的布局功能一体化。比拟在BM薄膜，LM交联LBM复合薄膜具有更高的电磁屏障机能（图4A）。在8.2GHz处，当薄膜厚度从1.1μm增添至15.2μm，LBM复合薄膜的电磁屏障机能从26.0dB增添至58.2dB，跨越了商用尺度（20dB）（图4B）。分歧厚度下LBM复合薄膜功率效力R弘远在A和T（图4C），是以LBM复合薄膜的电磁屏障机理以反射为主（图4D）。比拟在其他MXene薄膜、MXene气凝胶和MXene泡沫，LBM复合薄膜不但具有优良的力学机能还具有优良的电磁屏障机能（图4E），因此在航空航天和柔性电子器件范畴，具有广漠的利用前景。本工作提出的“液态金属交联致密化”新策略，为其他高机能纳米复合材料的创制供给了新思绪。

图4LBM复合薄膜的电磁屏障机能和机理

该工作获得中国科学院江雷院士的指点，和南洋理工年夜学电气与电子工程学院魏磊传授的帮忙。中国人平易近年夜学王艳磊副传授和陆俊凤博士研究生在理论摹拟方面做出了主要进献，部门摹拟计较和机能表征获得北航高机能计较中间和中国科学手艺年夜学姑苏高档研究院理化阐发平台的鼎力撑持。中国科学院物理研究所禹习谦研究员和潘弘毅博士在三维重构和阐发方面做出了主要进献。上海光源的BL13SSW线站曾建荣教员供给了同步辐射表征的工作。该研究工作获得了国度卓异青年科学基金（52125302）、科技部重点研发打算（2021YFA0715700）、原创摸索打算项目（52350012）、国度天然科学基金面上项目（22075009）和111引智打算（B14009）等项目标帮助。

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