通訊單位：清華大學(xué)深圳國際研究生院，中國科學(xué)院金屬研究所等

成果速覽

本研究報道了一種近室溫下通過水介質(zhì)激活范德華相互作用，將二維納米片致密化為強韌塊體材料的新方法。例如，將二維氮化硼納米片在約45°C的溫度下致密化10分鐘，得到的塊體材料孔隙率低于0.1%，并且其機械強度高于傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)法制備的材料。

研究還發(fā)現(xiàn)，水分子在納米片上的吸附起到了潤滑和促進對齊的作用，隨后的擠壓作用關(guān)閉了納米片間的間隙，形成了強韌的塊體材料。

圖文導(dǎo)讀

圖1：使用氮化硼作為例子，通過剝離納米片和隨后的成型來制備強韌、致密的范德華材料的示意圖。比較了直接成型、火花等離子燒結(jié)和熱壓燒結(jié)從氮化硼顆粒制備的塊體氮化硼的壓縮強度，以及直接從氮化硼納米片成型的壓縮強度。圖中還展示了通過納米片成型的MXene、石墨、二硫化鉬和二硒化鎢的壓縮強度與未剝離的相應(yīng)顆粒材料的比較。

圖2：不同成型溫度下氮化硼塊體的機械性能和微觀結(jié)構(gòu)的變化。圖中顯示了不同溫度下氮化硼的壓縮強度和彎曲強度，以及在25°C、45°C和110°C下成型的氮化硼的橫截面掃描電子顯微鏡圖像。

圖3：水在氮化硼成型中的作用。圖中包括了氮化硼納米片的熱重分析和質(zhì)譜分析，不同水含量下成型的氮化硼的壓縮強度，以及在不同溫度下成型過程中氮化硼納米片的致密化和對齊過程的示意圖。

圖4：成型氮化硼的加工性和熱管理應(yīng)用。圖中包括了直接成型的氮化硼片的照片，通過填充氮化硼納米片修復(fù)斷裂氮化硼板的照片，以及使用銅徽章作為沖頭在氮化硼板上壓印的照片。

亮點介紹

1. 創(chuàng)新性地提出了一種近室溫下通過水介質(zhì)強化的范德華材料致密化新方法，大幅降低了傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)所需的能耗。

2. 通過該方法制備的氮化硼塊體材料具有低于0.1%的孔隙率和高于傳統(tǒng)方法的機械強度，顯示出優(yōu)異的綜合性能。

3. 研究發(fā)現(xiàn)，水分子在納米片上的吸附起到了關(guān)鍵的潤滑作用，促進了納米片間的對齊和致密化。

4. 該方法具有極高的可擴展性和靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、高效率的生產(chǎn)，同時支持復(fù)雜形狀的成型和表面壓印等后處理。

5. 制備的氮化硼材料在熱管理領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，其優(yōu)異的熱導(dǎo)率和穩(wěn)定的熱性能使其適用于高性能電子設(shè)備的散熱。

計算模擬

在本論文中，作者采用了計算模擬的方法來深入理解材料的微觀機制和性能。

分子動力學(xué) (Molecular Dynamics, MD) 模擬：為了探究水分子在氮化硼納米片（hBNNSs）成型過程中的作用，作者進行了分子動力學(xué)模擬。

模擬使用了基于第一性原理的ReaxFF反應(yīng)力場來描述hBNNSs與水分子之間的相互作用。通過模擬，作者比較了有水分子和無水分子情況下兩層hBNNSs之間的摩擦系數(shù)和界面剪切應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)水分子的存在顯著降低了摩擦系數(shù)和剪切應(yīng)力，從而促進了納米片之間的滑動和對齊。

此外，模擬還研究了水分子在納米片間蒸發(fā)所產(chǎn)生的壓力，解釋了為何在適中的溫度下（如45°C）能夠獲得最佳的結(jié)構(gòu)對齊和材料性能。

通過這些計算模擬，研究者能夠更好地理解水分子在范德華材料致密化過程中的關(guān)鍵作用，以及溫度對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。這些模擬結(jié)果與實驗觀察到的現(xiàn)象相吻合，為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的理論依據(jù)。

測試表征

在本論文中，作者使用了多種測試和表征技術(shù)來分析和驗證所制備的范德華材料的性能和結(jié)構(gòu)。：

1. 掃描電子顯微鏡 (SEM)：用于觀察成型后材料的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)，特別是材料的致密性和可能存在的微裂紋。

2. 高分辨率透射電子顯微鏡 (HRTEM)：用于詳細分析材料的層狀結(jié)構(gòu)和層間距離，以及確認范德華界面的形成。

3. 納米尺度X射線計算機斷層掃描 (Nano-CT)：用于三維重建材料的空隙結(jié)構(gòu)，量化材料的致密化程度和孔隙率。

4. X射線衍射 ( XRD)：用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和取向性，以及確定材料的相組成。

5. 寬角X射線散射 (WAXS)：與XRD結(jié)合使用，用于評估材料的結(jié)構(gòu)對齊程度，通過Hermans取向因子來量化。

6. 熱重分析 (TGA)：結(jié)合質(zhì)譜分析，用于研究納米片在加熱過程中的質(zhì)量變化，特別是水分子的釋放情況。

這些表征技術(shù)為研究者提供了全面的信息，從而深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和熱性能。通過這些綜合的測試和表征，研究者能夠驗證其制備方法的有效性，并為進一步的材料設(shè)計和應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

文獻信息

標題：Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets

期刊：Nature Materials