文章亮点概述
提出了一种约束组装策略，通过平面拉伸具有氢键和离子键协同桥接的含水纳米黏土网络，以此调控多层黏土膜中纳米黏土片的空间构象。该策略克服了黏土膜在干燥过程中产生的毛细收缩力，从而诱导纳米黏土片构象从褶皱态到伸展态转变，形成了高度排列的多层纳米结构，从而强化了其力学性能及隔热功能。背景介绍
近年来，石油基材料的过度使用对全球生态环境的影响日益严重，因此迫切需要利用现有的天然资源开发环境友好的新材料。其中，天然黏土矿物，如蒙脱土、云母、蛭石等，来源丰富、环境友好、价格便宜，可剥离成原子级厚度的单层黏土片。单层黏土片具有良好的成膜性，而且具有优异的耐热、隔热、隔气和紫外线阻挡等功能，是一种理想的纳米结构单元用来设计高性能多层黏土膜，在众多领域具有重要应用价值。然而，多层黏土膜的力学性能较低，限制了其实用性，这主要归咎于纳米黏土片之间较弱的界面相互作用和低序度的空间结构。传统的溶液基自发组装策略，如过滤，喷涂，刮涂，浇筑等，在溶剂蒸发过程中，纳米黏土片之间逐渐产生毛细收缩力，不可避免的引入褶皱和缺陷，导致多层黏土膜的力学性能降低。因此，开发新型组装策略，增强纳米黏土片间界面相互作用和提高多层结构有序程度，是实现高性能多层黏土膜的一个挑战。
图1.多层黏土膜的约束组装策略和自发组装策略
文章亮点
近日，湖南大学王建锋教授在ACSNano上报道了一种天然纳米黏土膜的约束组装策略，调控多层纳米结构的界面相互作用和取向程度，实现了高强度多层黏土膜的可控制备。具体地，通过平面拉伸具有氢键和离子键协同桥接的含水纳米黏土网络，调控多层黏土膜中纳米黏土片的空间构象，实现了高度取向且具有协同作用的多层黏土纳米结构。一方面，钙离子和海藻酸钠的引入协同增强了纳米黏土片之间的界面相互作用；另一方面，平面拉伸克服了溶剂蒸发过程中纳米黏土片之间的毛细力，诱导纳米黏土片构像伸展，以促进多层结构的有序排列，实现了力学性能的显著提升，拉伸强度达到.0MPa，与传统的溶液基自发组装粘土膜相比提升了25倍。此外，改善的隔热性能和良好的阻燃性能拓宽了纳米黏土膜的实际应用。
图2.纳米黏土片间相互作用调控及其与力学性能的关系
图3.纳米黏土片内构象调控及其与力学性能的关系
图4.多层黏土膜的隔热和阻燃性能
总结/展望
本研究开发出一种约束组装多层黏土膜的策略，构筑了具有协同界面相互作用和高度取向的多层黏土纳米结构，实现了黏土膜的高强度和高模量，并显示出改善的隔热性能和良好的阻燃性能。这种约束组装策略拓展了天然纳米粘土的应用潜力，为开发高性能环境友好材料提供了思路。
研究论文发表在ACSNano，湖南大学博士研究生李豪为文章的第一作者，王建锋教授为通讯作者。
通讯作者信息：
王建峰教授
王建锋教授湖南大学材料科学与工程学院，教授，博士生导师，湖南大学岳麓学者。长期从事纳米叠层材料研究，主持国家自然科学基金面上项目、青年项目、湖南省杰出青年基金项目等，以第一作者/通讯作者在Chem.Soc.Rev.,Prog.Polym.Sci.,Adv.Mater.,Adv.Funct.Mater.,ACSNano,Angew.Chem.Int.Ed.等期刊发表研究论文30余篇，获授权中国发明专利8项、美国发明专利2项，完成科技成果转化1项，推动了碳纳米管导电浆料的商业化应用，发明了高性能芳纶云母绝缘纳米纸。
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