近日,合肥工業(yè)大學化學與化工學院陸楊教授研究組和中國科學技術大學俞書宏教授研究團隊合作,創(chuàng)新性地采用“解組裝-仿生組裝”的兩步策略,以廉價天然云母粉為原料,成功實現(xiàn)了高質量云母納米片的大量制備,并組裝成高性能透明柔性仿貝殼結構云母復合膜。這一高性能仿生復合薄膜在柔性透明電子器件等領域具有廣闊的應用前景。

作為一種常見的層狀結構鋁硅酸鹽天然礦物,云母具有特殊的可見光透過和紫外屏蔽性能,并有高電氣絕緣性、耐酸堿與高溫穩(wěn)定性等優(yōu)點,是未來柔性透明電子器件等領域的理想材料。然而,高品位的片云母產(chǎn)量低且價格昂貴,極大限制了其應用。

天然碎云母盡管儲量豐富、價格低廉且與片云母化學成分和結構相同,但由其制備的天然云母粉的粒徑大且縱橫比低,剝離成高質量的云母納米片也極為困難,難以通過仿生組裝制備高性能的宏觀尺度膜。

(a)云母納米片制備策略;

(b)云母粉、插層云母和云母納米片的小角度XRD;

(c)云母納米片的TEM圖像;

(d)云母納米片的AFM圖像;

(e)云母納米片的TEM-mapping圖像。

該研究團隊攻克了天然云母粉宏量剝離等難題,通過液相剝離制備的單層或少層超薄云母納米片在溶液中可以穩(wěn)定分散超過1個月。

同時,利用噴涂技術,成功將超薄云母納米片與殼聚糖混合溶液組裝成微納尺度上具有“磚-泥”層狀結構的仿貝殼結構云母復合膜,并進行了組分和結構優(yōu)化。

(a-c)云母納米片分散液的濃度與起始的濃度、超聲功率和體積的關系;(d)云母納米片的宏量制備過程;(e)云母納米片的產(chǎn)量與剝離次數(shù)的關系;(f)云母納米片的分散液;(g-i)聚酰亞胺修飾的云母納米片的熱重、厚度和穩(wěn)定性。

研究結果表明,當云母含量達到60%時,這一新型復合膜顯示出優(yōu)異的機械強度(拉伸應力~260MPa,楊氏模量16.2GPa)、良好的可見光透過率(38-65%),以及獨特的紫外屏蔽性(62-100%),其整體性能優(yōu)于天然片云母和其他種類的粘土仿貝殼薄膜。

經(jīng)受144小時紫外(313nm)照射后,其拉伸性能幾乎不變,因此具有優(yōu)異的抗紫外老化性能。同時基于該透明薄膜已經(jīng)成功制備了可彎曲的光電檢測器件。

(a)仿生云母膜制備的示意圖;(b)不同比例的仿生云母膜的可見紫外透過率;(c-d)仿生云母膜和其他仿貝殼粘土復合膜的可見光透過和紫外屏蔽性質的對比;(e-f)大尺寸的仿生云母膜的實物照片和微觀結構;(g)不同厚度的仿生云母膜的可見紫外透過率。

這一成果易于工業(yè)化放大,而且在聚合物復合材料以及透明的紫外屏蔽涂層的研發(fā)中可以普遍推廣,為廉價低品位的天然碎云母的精加工和升級應用提供了新的思路和技術。