中科大俞书宏&合工大陆杨Nat. Commun.：变天然云母粉为高性能仿生聚合物云母膜

【引言】

超薄纳米片具有优异的机械性能、光学以及电学性能，目前诸如石墨烯、过渡金属二硫化物、层状金属氧化物、蒙脱土以及黑磷等二维材料都可以通过剥离法制备，尤其是石墨烯和蒙脱土已经实现了大规模剥离法制备。云母是一种宏观透明的片状天然粘土材料，而且具有独特的光学性能、高电气绝缘性以及良好的化学和热稳定性。大尺寸的天然片云母非常稀有和昂贵，而天然云母粉更加容易获得且相对廉价，因而利用天然云母粉组装获得类似甚至优于片状云母的宏观膜材料就具有重要的价值。由于尺寸较大且横纵比小，云母粉难以直接通过常规的仿生组装方法实现高性能宏观薄膜的制备。

近日，中国科学技术大学俞书宏教授与合肥工业大学陆杨教授合作，提出了“解组装-仿生组装”的制备策略，先利用天然云母粉为原料通过插层和超声破碎获得高质量超薄云母纳米片，然后将其与壳聚糖组装得到宏观仿生聚合物云母膜。利用喷涂技术将云母纳米片与壳聚糖混合溶液组装获得的仿生云母复合膜经过组分和结构优化后，当云母含量达到60%时显示出优异的机械强度（拉伸应力~260 MPa，杨氏模量16.2GPa）、良好的可见光透过率（38-65%），以及独特的紫外屏蔽性（62-100%）。经受144小时紫外照射后，拉伸性能几乎不变，证明其具有优异的抗紫外老化性能。该聚合物云母膜的整体性能优于天然片状云母以及其他粘土仿生薄膜。由于该复合薄膜的独特性能，研究人员基于该透明复合薄膜构建了高性能柔性光电检测器件。该成果以题为"Transforming ground mica into high-performance biomimetic polymeric mica film"发表在Nature Communications上。合肥工大2014级博士生潘晓锋和中国科大博士后高怀岭为共同第一作者。

图1云母纳米片的制备和表征

(a) 云母纳米片制备策略；

(b) 云母粉、插层云母和云母纳米片的小角度XRD；

(d) 云母纳米片的AFM图像；

(e) 云母纳米片的TEM-mapping图像。

图2 天然云母的大规模剥离制备云母纳米片

(a-c) 云母纳米片分散液的浓度与起始的浓度、超声功率和体积的关系；

(d) 云母纳米片的宏量制备过程；

(e) 云母纳米片的产量与剥离次数的关系；

(f) 云母纳米片的分散液；

(g-i) 聚酰亚胺修饰的云母纳米片的热重、厚度和稳定性。

图3聚合物云母膜的光学性能

(a) 仿生云母膜制备的示意图；

(b) 不同比例的仿生云母膜的可见紫外透过率；

(c-d) 仿生云母膜和其他仿贝壳粘土复合膜的可见光透过和紫外屏蔽性质的对比；

(e-f) 大尺寸的仿生云母膜的实物照片和微观结构；

(g) 不同厚度的仿生云母膜的可见紫外透过率。

图4 聚合物云母膜的机械性能以及柔性透明器件制备

(a-c) 仿生云母膜和其他仿贝壳粘土复合膜拉伸应力和光学性能的对比；

(d-e) 仿生云母膜的断裂形貌和断裂机理；

(f) 仿生云母膜和其他仿贝壳粘土复合膜的紫外老化对比；

(g-i) 以仿生云母膜为基底的柔性电子器件。

【小结】

本文中成功实现了超薄云母纳米片的大量剥离法制备，并进一步利用喷涂组装技术将所得云母纳米片制备成了具有优异的机械性能、高电绝缘性和可见紫外光选择性的类贝壳层状结构的仿生聚合物云母膜，其整体性能优于天然片云母和其他种类的粘土仿贝壳薄膜。基于该种聚合物云母膜的独特性能，其在柔性透明电子器件等领域具有广阔的应用前景。此外，该技术还有望推广到其他聚合物复合材料以及透明的紫外屏蔽涂层的研发。

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

【团队介绍】

俞书宏教授课题组：http://staff.ustc.edu.cn/~yulab/

陆杨教授简介：http://hgxy.hfut.edu.cn/website/index.php/cn/?Itemid=499&id=1909:2015-03-16-07-57-02&lang=cn&option=com_k2&view=item

本文由材料人生物学术组biotech供稿，材料牛审核整理。