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清華院士，最新Nat. Commum.！

來源：時(shí)間：2023-09-25 15:26:08 瀏覽：1293次

第一作者：Xinhui Li

通訊作者：南策文院士、張樹君教授、張?chǎng)窝芯繂T

通訊單位：清華大學(xué)、臥龍崗大學(xué)、武漢理工大學(xué)

DOI: 10.1038/s41467-023-41479-0.

研究背景

分散在聚合物基質(zhì)中的聚合物納米復(fù)合材料顯著提高了材料整體性能而受到廣泛關(guān)注，其中納米顆粒聚合物界面起著關(guān)鍵作用，但理解界面區(qū)域的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)仍然是聚合物納米復(fù)合材料面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)。基于此，清華大學(xué)南策文院士、臥龍崗大學(xué)張樹君教授和武漢理工大學(xué)張?chǎng)窝芯繂T等人直接觀察界面聚合物由高極性雙分子層周圍的納米顆粒，負(fù)責(zé)大大增強(qiáng)的納米粒子的納米復(fù)合材料，如介電和壓電性能而不犧牲原始聚合物的靈活性和透明度。通過構(gòu)建層狀聚合物納米復(fù)合材料，充分利用內(nèi)結(jié)合極性層的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了納米復(fù)合材料的超高介質(zhì)儲(chǔ)能密度。

文章要點(diǎn)

1、作者直接觀察到極性聚合物中納米顆粒周圍存在兩個(gè)界面聚合物層，即一個(gè)排列偶極子的內(nèi)結(jié)合極性層（~10 nm厚）和一個(gè)隨機(jī)定向偶極子的外極性層（超過100 nm厚）。通過模擬和實(shí)驗(yàn)，表明了納米顆粒聚合物相互作用和粒子間距離影響界面聚合物層的形成，導(dǎo)致了稀聚合物納米復(fù)合材料的極性相關(guān)性能的異常增強(qiáng)。

2、通過納米胺化設(shè)計(jì)，最大限度地提高內(nèi)束縛極性層的貢獻(xiàn)，作者實(shí)現(xiàn)了86 J/cm³的超高介電儲(chǔ)能密度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于最先進(jìn)的聚合物和納米復(fù)合材料。本工作為聚合物納米復(fù)合材料的界面效應(yīng)提供了直觀的理解，并通過界面工程調(diào)整納米復(fù)合材料極性相關(guān)特性的有效策略。

圖文展示

圖1.納米復(fù)合材料中納米顆粒周圍的界面聚合物的直接觀察

圖2.納米復(fù)合材料中的界面極性區(qū)域

圖3.界面極性聚合物的分子動(dòng)力學(xué)和相場(chǎng)模擬

圖4.界面效應(yīng)對(duì)納米復(fù)合材料整體性能的影響

圖5.內(nèi)約束的極性層增強(qiáng)界面效應(yīng)

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