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強(qiáng)而輕的多孔材料在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，但制造過程中控制其物理和化學(xué)結(jié)構(gòu)的困難限制了它們的力學(xué)性能。納米晶格是具有納米級特征的多孔材料，有望使用基于尺寸的效果克服這些限制。使用雙光子聚合的3D打印是最常見的納米晶格制造方法，但即使打印速度創(chuàng)下歷史新高，制作20×20×0.1mm³的木樁納米晶格也需要64天。自組裝方法實現(xiàn)了相對快速的納米晶格制造（fcc納米晶格通常需要幾天）。特別是，通過填補(bǔ)自組裝膠體模板的空隙而制成的金屬納米晶格，已表現(xiàn)出10納米周期性特征，類鈦的抗壓強(qiáng)度，選擇性光子吸收/發(fā)射以及高溫和化學(xué)穩(wěn)定性。這些特性表明，納米晶格優(yōu)于具有隨機(jī)孔隙結(jié)構(gòu)和厚支柱或壁的傳統(tǒng)多孔金屬。然而，自組裝的模板容易受到密集的裂縫的影響，當(dāng)填充材料時，這些裂縫形成倒裂紋結(jié)構(gòu)，將樣品分為小的納米晶格結(jié)構(gòu)域，導(dǎo)致應(yīng)力濃度，阻斷流體/氣體輸送，并增加光學(xué)散射。雖然許多研究集中在制備自組裝納米晶格，還有一些嘗試消除倒裂紋，但沒有一種自組裝制備方法能夠產(chǎn)生沒有倒裂紋的大面積金屬納米點陣。

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賓夕法尼亞大學(xué)的Zhimin Jiang和James H. Pikul在Nature Materials上發(fā)表研究成果，通過電化學(xué)自組裝的方法實現(xiàn)了厘米級的無裂紋的高強(qiáng)度的金屬納米晶格。該方法可用于制造具有100納米周期特征和30納米晶粒尺寸的厘米級多功能金屬納米晶格，與之前的納米晶格相比，無裂面積增加了2萬倍，加載方向的單元數(shù)量增加了1000倍。這些納米晶格在1.12%的應(yīng)變下具有257兆帕的拉伸強(qiáng)度，密度為2.67 g cm^-3，是任何尺度上相對密度相同的最強(qiáng)多孔金屬的2.6倍。

作者通過保持濕模板和利用靜電力幫助金屬電沉積進(jìn)入模板來消除自組裝過程中的裂縫。由此產(chǎn)生的鎳納米晶格具有優(yōu)異的光子著色性，并接近其宏觀理論抗拉強(qiáng)度。高絕對強(qiáng)度和低密度將使鎳納米晶格以比多孔鈦小50%的體積、比多孔鐵低50%的質(zhì)量，以及重要的是，其他納米晶格小十倍來取代砂巖板芯。

這種消除模板裂縫并精確控制數(shù)百萬單元金屬納米結(jié)構(gòu)的方法將實現(xiàn)具有前所未有的性能的納米點陣，并使其在傳感、能量轉(zhuǎn)換和力學(xué)方面的應(yīng)用成為可能。

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圖1. 制備無倒裂紋的金屬納米晶格的WE方法與常規(guī)方法的比較

圖1a顯示了從球形納米顆粒中生長fcc晶格模板的傳統(tǒng)方法。由于自由能最小化，水蒸發(fā)驅(qū)動納米顆粒在導(dǎo)電襯底上組裝成fcc晶格（也稱為蛋白石）。在自組裝過程中，蛋白石頂部干燥并產(chǎn)生裂紋，而離干燥區(qū)最近的區(qū)域仍然潮濕，沒有裂縫。潮濕區(qū)域通常保持恒定的高度，而干燥的裂痕區(qū)域則生長，直到所有水蒸發(fā)。然后，通過燒結(jié)微粒、電沉積鎳到空隙中并去除模板，將裂紋模板轉(zhuǎn)化為納米晶格。圖1c顯示了由此產(chǎn)生的鎳納米晶格，其倒裂紋將通常小于0.01 mm2的納米晶格結(jié)構(gòu)區(qū)分開。作者發(fā)現(xiàn)，在膠體溶液中添加低蒸汽壓力酒精可以防止組裝好的蛋白石干燥，從而在水蒸發(fā)時將酒精濃縮在蛋白石空隙中（圖1d）。作者選擇了甘油和乙二醇來防止蛋白石干燥，因為它們可溶于水，與水相比不揮發(fā)，并且只有羥基不屏蔽納米顆粒上的電荷。當(dāng)組裝的粒子聚集時，粒子之間的范德華力足夠強(qiáng)，可以將模板固定在一起，以經(jīng)受住后續(xù)處理。實驗表明，含0.06%甘油的膠體溶液中，可產(chǎn)生全濕蛋白石，包裝優(yōu)質(zhì)，無裂紋。

雖然保持蛋白石濕潤可以防止裂縫，但由于顆粒的負(fù)表面電荷，鎳隨后無法通過模板電沉積。為此作者開發(fā)出了濕靜電（WE）方法。通過分散聚合（方法）合成的帶正電粒子具有酰胺官能團(tuán)，這些官能團(tuán)在水中完全質(zhì)子化/電離，并產(chǎn)生強(qiáng)大的表面電荷，在電沉積過程中，電極雙層中的強(qiáng)電場在揭開顆粒周圍的離子云后吸引帶正電荷的粒子，這使得鎳可以無裂紋地通過濕模板沉積。WE方法將無裂紋自組裝納米晶格的可用材料從僅氧化物擴(kuò)展到金屬，同時將最大納米晶格厚度增加10倍，實現(xiàn)厘米級樣品制備，并保持卓越的光學(xué)性能。圖2a顯示了一個90微米厚的無裂紋鎳納米晶格，其厚度是之前關(guān)于氧化物納米晶格的無裂紋研究的十倍。

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圖2. 無倒裂紋的鎳納米晶格的物理和光學(xué)表征

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圖3. 鎳納米晶格的拉伸性能

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圖4. 鎳納米晶格與其他多孔金屬和納米晶格的性能比較

原文鏈接

Jiang, Z., Pikul, J.H. Centimetre-scale crack-free self-assembly for ultra-high tensile strength metallic nanolattices. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01039-7

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/11/27/986c25f254/

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