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清華大學李琦、何金良《ACS Nano》綜述:如何認知介電聚合物納米復合材料的界面
2022-09-17  來源:高分子科技

  介電聚合物廣泛應用于電能存儲、傳輸和轉換。隨著能源需求的不斷增加和新能源技術的迅速發展,要求介電聚合物具有更加優異的電學、熱學和力學特性。通過向介電聚合物中摻入納米尺寸的無機顆粒,可以得到具有卓越綜合性能的介電聚合物納米復合材料。目前,大量研究將這類納米復合材料特異性能的起源歸結為基體和顆粒之間的界面效應,因此,界面微區的結構-性能關系已成為該領域的研究熱點。然而,不同領域的研究人員對界面問題采取的研究策略、表征方法存在較大差異,得到的研究結論不盡相同,導致對界面的認知程度仍遠不能滿足新材料的研發需求。


  日前,清華大學李琦、何金良等發表綜述文章,系統介紹了不同領域針對介電聚合物納米復合材料中基質/顆粒界面的三類主要研究策略(1),重點分析了這三類實驗策略的獨特優勢與局限,以及如何聯合及合理選擇不同研究手段,從而能夠更好地認知界面。 


圖1 界面研究的的三種策略:基于納米復合材料的體相研究、基于掃描探針顯微鏡的原位研究和基于模型聚合物的研究


  首先,在基于納米復合材料的體相研究策略中,按照研究界面分子結構、界面分子的動力學過程和電荷輸運特性的順序,介紹了FTIR、XPSSFGSAS、TGA、PALSDSCNMR、NSE、QENSBDSDMA、I-V、TSDCISPDPEA等技術在界面研究中的應用。作為最經典的研究策略,這一策略采用了與實際應用中相似的體相復合電介質進行了表征,測量結果也將受到基體和填料等因素的影響,因此,這類方法的關鍵是從整體信號中提取界面特性的分析過程。在這一部分的最后,作者總結了這一策略的主要挑戰,指出了在基于體相納米復合材料進行界面研究時,需要仔細辨別材料體相特性的變化與界面區域的關系。 


圖2基于體相納米復合物的界面分子動力學過程研究


  其次,介紹了基于掃描探針顯微鏡的原位研究策略。該策略是在暴露界面的樣品上利用掃描探針顯微鏡的高空間分辨率和多功能直接檢測界面的結構和性能。按照研究界面分子結構、界面的機械特性、界面的極化和電荷積聚特性的順序,介紹了NanoIRNanoindentation、AM-AFM、BE-AFMImAFM、Peakforce QNM、nanoDMA、DC-EFM、AC-EFM、nanoDSτ mapping、KPFM、open-loop KPFM、PFMnanoISPD等技術在界面研究中的應用。作為一種正在興起的研究策略,本部分詳細介紹了這一策略中樣品的制備方式和具體測試方案。在這一部分的最后,總結了將掃描探針技術應用于界面探測中面臨的探測理論可靠性和空間分辨能力問題,指出了在采用這一策略進行界面研究時,應該重點關注樣品的形貌、測試環境、信號的來源與掃描探針顯微鏡對界面的分辨能力等關鍵問題。 


圖3基于掃描探針顯微鏡的界面電荷傳輸特性研究


  第三類策略基于模型聚合物。該策略的基礎是認為不同形式的界面具有相似性,因此可以在更簡單的界面模型體系中進行界面的實驗研究。該策略實際采用的體系一般是具有更穩定和更大比例界面相的特殊樣品(例如平板上的納米薄膜),這將大大簡化分析過程。該策略主要根據研究界面化學鍵、官能團、分子鏈取向、密度、厚度、結晶相、分子動態過程的具體需求,將成熟的測試技術微調后應用到模型樣品中。這一策略是一類已被廣泛用于高分子物理領域的界面研究策略,將有助于理解介電聚合物納米復合材料中的界面問題,作者在該部分最后總結了使用這類策略研究界面時不應忽視的表面效應和尺寸效應等問題。 


圖4基于一維模型聚合物的界面結構特性研究


 圖5三種實驗策略的總結與比較


  在全文的最后,作者從多個方面總結和比較了上述三類實驗策略(圖5),并指出它們的優缺點、關鍵問題以及有待建立的實驗方案。此外,文章對現有實驗策略的挑戰進行了分析,并對未來的界面研究提出了建議。


  本文旨在為來自不同領域的界面研究者搭建溝通的橋梁,打破研究的壁壘,從而突破對介電聚合物納米復合材料中界面的認知,并最終促進在介觀甚至微觀尺度設計和開發高性能介電聚合物納米復合材料。成果以Polymer Nanocomposite Dielectrics: Understanding the Matrix/Particle Interface”為題發表在《ACS Nano》(DOI: 10.1021/acsnano.2c07404)。論文第一作者是清華大學2018級博士生王少杰,通訊作者為清華大學李琦副教授和何金良教授。該工作得到了國家優青項目和創新研究群體項目的支持。


  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.2c07404

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