中山大学化学学院郑治坤教授团队经由五年研讨，成功制备出高韧性、高弹性、高机器强度的二维晶体薄膜，并报告了一种利用捐躯性小分子构造导向剂导向相邻晶畴形成编织晶界构造的制备方法，有望扩展晶体膜在分离、光电、柔性器件等领域的运用。近日，干系成果刊发在《自然》杂志。
用5年做出一张极薄的分离膜
在郑治坤的实验室，一张弹性晶体膜附着在硅片上。如果不是镊子夹取造成的残缺，险些肉眼无法瞥见它的存在。
编织晶界聚合物均孔膜合成示意图
为了做好这样一张膜，团队整整用了五年韶光。
环球每天生产原油超过1亿桶，而石油化工近80%本钱花在分离上。膜分离法成为化工生产领域降落能源花费、减少加工本钱、提高分离效率和产品纯度的一条“出路”。
“理论上，膜分离是常规分离本钱的十分之一。”郑治坤说。传统有机高分子材料制成的分离膜，浸到油里会被溶解或溶胀，利用全结晶的分离膜则不会。
为此，郑治坤教授课题组深入研究晶态聚合物均孔膜的制备、构造和性能调控等问题。
论文截图
“我们这项研究实在办理的是两个力学问题，一是材料强度和韧性的同步提升，二是改进晶体的脆性，让它不那么易碎。”郑治坤先容。
晶界是晶体内部的毛病构造。常日，天然和合成晶态材料是由多个单晶晶畴连接到一起，其间的大量晶界制约着材料的机器稳定性。
“这种影响在由单层原子或少数原子层构成的二维晶体中格外严重，一个线性晶界就将导致二维晶体薄膜的断裂。”郑治坤说。
对各种材料来说，机器强度和韧性每每相互抵牾，难以兼得，对付晶体当然亦是如此。
在钢铁冶炼中，人们通过引入新的物质——碳来改变材料构造，调控材料的物理性子，调制出强度和韧性均得当的材料。但在晶体的制备中，“掺杂”难以做到，由于结晶便是排异的过程。
郑治坤辅导博士生杨永航做实验
经由大量的不雅观察和实验，郑治坤团队想到了高分子材料中的一种范例构造——编织构造。犹如毛衣由毛线经纬交织而成，部分高分子材料在聚合时也能相互缠绕、交错，从而拥有较强的柔性。
“这种构造一样平常不会在晶体中存在，但为了得到这种柔性的性子，也容许以把这种构造迁移到晶体中去。”郑治坤说。
实验表明，这种全新晶界构造——编织晶界连接形成的晶态聚合物膜具有高韧性、高弹性和高机器强度的特点，其抗压性能靠近铝合金和黄金。当材料受力断裂时，裂纹不扩展，且不影响裂纹附近膜的机器性能。
在这个思路的辅导下，郑治坤团队在制备二维晶体聚合物时加入捐躯性导向试剂，以线性聚合物为“梭”，利用其自发缠绕、穿插的特性，将二维聚合物编织起来，形成编织晶界。待晶界形成，线性聚合物又会随排异的结晶过程自动离开。
从把膜制作出来，到实现孔洞均一，再到让它更高效、更可靠、更耐用，团队无数次反复试验，攻关“拦路虎”，终极破题。
未来将拥有更多的运用处景
“五年磨一剑”，终于制备出这一张晶体分离膜，将改变什么？郑治坤表示，这一成果为二维晶体材料在柔性器件和分离膜方面的运用奠定了根本。
个中，柔性材料可用于生产柔性显示器、柔性电池、柔性传感器等；膜分离技能则已普遍用于化工、环保、生物工程等领域。与常规膜分离比较，全结晶的聚合物膜有望以更高效率分离出更高纯度的物质。
“以前以为做这张膜很大略，实际上，越做越感到困难。”郑治坤感叹。但他和团队始终没有动摇：“碰着困难就想办法办理问题，而不是换个问题。”
个中的难度在于，做好一张分离膜，须要多学科交叉，在力学、材料学、化学等领域都须要深厚开阔的学术功底。环球科学家都在孜孜以求，试图破解这个“不可能任务”。
附着在硅片表层的编织晶界聚合物均孔膜
郑治坤的本科专业是化学教诲，研究生阶段打仗了电剖析。2008年，他出国从事博士后研究，表面物理、有机合成、分子工程材料都曾是他的研究领域。2017年返国往后，他开始从事高分子化学与物理领域的研究。
“我们是做化学的，但这项研究也涉及到了物理中晶体的聚拢态构造，尤其是力学的一些知识。能够取得这项成果，离不开我们课题组对有机合成和高分子物理两个领域知识的理解。”郑治坤说。
以石墨烯为代表的二维晶体材料自发现以来便备受关注。其具备的多种理化性子使其在光电信息、催化、可穿着电子器件等领域具有许多潜在运用代价。
然而，这类材料在制备上每每有产率低、构造性能不稳定等问题，极大限定了其在工业领域的运用。郑治坤课题组一贯希望办理碳四到碳八的分离问题。
实验室里的试剂瓶和结晶皿
个中，支链碳五和碳六是范例的汽油组分，碳八则有邻二甲苯、对二甲苯、间二甲苯、乙苯等，个中对二甲苯（PX）是生产聚酯纤维和树脂、涂料、染料及农药的质料。
“这些都是生活中十分常用的化人为料，而我们的目标便是更高效率地得到纯度更高的产品，在这个根本上，再追求低本钱、环境友好等目标。”郑治坤说，“我们一定要做好这张晶体分离膜。”
他表示，下一步，团队还将连续环绕这种分离膜的制备方法和分离性能开展研究，尤其是对分离膜的稳定性、分离纯度、分离速率和对环境的哀求等进行实验考验。
在未来，这张分离膜还可以改性，通过调度孔径、分子和分子的主客体相互浸染、电性、磁性等性子，拥有更多的运用处景。
南方+ 李秀婷
通讯员 朱嘉豪 李建平
【作者】 李秀婷
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