Nat. Mater.又轻又强，看自组装实现超强金属纳米晶格！

2023年11月27日下午6:54 • 顶刊解读

强而轻的多孔材料在工业中广泛应用，但制造过程中控制其物理和化学结构的困难限制了它们的力学性能。纳米晶格是具有纳米级特征的多孔材料，有望使用基于尺寸的效果克服这些限制。使用双光子聚合的3D打印是最常见的纳米晶格制造方法，但即使打印速度创下历史新高，制作20×20×0.1mm³的木桩纳米晶格也需要64天。自组装方法实现了相对快速的纳米晶格制造（fcc纳米晶格通常需要几天）。特别是，通过填补自组装胶体模板的空隙而制成的金属纳米晶格，已表现出10纳米周期性特征，类钛的抗压强度，选择性光子吸收/发射以及高温和化学稳定性。这些特性表明，纳米晶格优于具有随机孔隙结构和厚支柱或壁的传统多孔金属。然而，自组装的模板容易受到密集的裂缝的影响，当填充材料时，这些裂缝形成倒裂纹结构，将样品分为小的纳米晶格结构域，导致应力浓度，阻断流体/气体输送，并增加光学散射。虽然许多研究集中在制备自组装纳米晶格，还有一些尝试消除倒裂纹，但没有一种自组装制备方法能够产生没有倒裂纹的大面积金属纳米点阵。

宾夕法尼亚大学的Zhimin Jiang和James H. Pikul在Nature Materials上发表研究成果，通过电化学自组装的方法实现了厘米级的无裂纹的高强度的金属纳米晶格。该方法可用于制造具有100纳米周期特征和30纳米晶粒尺寸的厘米级多功能金属纳米晶格，与之前的纳米晶格相比，无裂面积增加了2万倍，加载方向的单元数量增加了1000倍。这些纳米晶格在1.12%的应变下具有257兆帕的拉伸强度，密度为2.67 g cm^-3，是任何尺度上相对密度相同的最强多孔金属的2.6倍。

作者通过保持湿模板和利用静电力帮助金属电沉积进入模板来消除自组装过程中的裂缝。由此产生的镍纳米晶格具有优异的光子着色性，并接近其宏观理论抗拉强度。高绝对强度和低密度将使镍纳米晶格以比多孔钛小50%的体积、比多孔铁低50%的质量，以及重要的是，其他纳米晶格小十倍来取代砂岩板芯。

这种消除模板裂缝并精确控制数百万单元金属纳米结构的方法将实现具有前所未有的性能的纳米点阵，并使其在传感、能量转换和力学方面的应用成为可能。

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图1. 制备无倒裂纹的金属纳米晶格的WE方法与常规方法的比较

图1a显示了从球形纳米颗粒中生长fcc晶格模板的传统方法。由于自由能最小化，水蒸发驱动纳米颗粒在导电衬底上组装成fcc晶格（也称为蛋白石）。在自组装过程中，蛋白石顶部干燥并产生裂纹，而离干燥区最近的区域仍然潮湿，没有裂缝。潮湿区域通常保持恒定的高度，而干燥的裂痕区域则生长，直到所有水蒸发。然后，通过烧结微粒、电沉积镍到空隙中并去除模板，将裂纹模板转化为纳米晶格。图1c显示了由此产生的镍纳米晶格，其倒裂纹将通常小于0.01 mm2的纳米晶格结构区分开。作者发现，在胶体溶液中添加低蒸汽压力酒精可以防止组装好的蛋白石干燥，从而在水蒸发时将酒精浓缩在蛋白石空隙中（图1d）。作者选择了甘油和乙二醇来防止蛋白石干燥，因为它们可溶于水，与水相比不挥发，并且只有羟基不屏蔽纳米颗粒上的电荷。当组装的粒子聚集时，粒子之间的范德华力足够强，可以将模板固定在一起，以经受住后续处理。实验表明，含0.06%甘油的胶体溶液中，可产生全湿蛋白石，包装优质，无裂纹。

虽然保持蛋白石湿润可以防止裂缝，但由于颗粒的负表面电荷，镍随后无法通过模板电沉积。为此作者开发出了湿静电（WE）方法。通过分散聚合（方法）合成的带正电粒子具有酰胺官能团，这些官能团在水中完全质子化/电离，并产生强大的表面电荷，在电沉积过程中，电极双层中的强电场在揭开颗粒周围的离子云后吸引带正电荷的粒子，这使得镍可以无裂纹地通过湿模板沉积。WE方法将无裂纹自组装纳米晶格的可用材料从仅氧化物扩展到金属，同时将最大纳米晶格厚度增加10倍，实现厘米级样品制备，并保持卓越的光学性能。图2a显示了一个90微米厚的无裂纹镍纳米晶格，其厚度是之前关于氧化物纳米晶格的无裂纹研究的十倍。

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图2. 无倒裂纹的镍纳米晶格的物理和光学表征

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图3. 镍纳米晶格的拉伸性能

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图4. 镍纳米晶格与其他多孔金属和纳米晶格的性能比较

原文链接

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

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