纖維素納米纖維(CNF)與二維納米片材料可以通過(guò)真空輔助自組裝和干燥形成多功能復(fù)合材料。調(diào)控干燥過(guò)程會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生重大影響,同時(shí)干燥過(guò)程也涉及到復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變和微納米結(jié)構(gòu)變化,然而,此類變化在CNF/二維納米片自組裝體系中仍然是未知的,因此,亟需開(kāi)展相關(guān)研究探討這一科學(xué)問(wèn)題。


圖2:(a)CNF-water,C/M-water和C/M-EtOH樣品在q區(qū)間范圍0.9-2.9 ?–1的衍射圖譜;(b)不同方法測(cè)量所得液體含量變化趨勢(shì);(c)CNF(004)和MTM (200)/(130)晶面應(yīng)變隨干燥時(shí)間的變化。




圖6:小角X射線散射分析所得取向度隨q區(qū)間的變化。
該工作進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)理解釋并構(gòu)建了CNF和MTM納米片干燥過(guò)程結(jié)構(gòu)變化模型。CNF從水中干燥時(shí),毛細(xì)管力會(huì)導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生微小應(yīng)變,從而使得CNF晶體排列規(guī)整度下降,表觀謝勒尺寸下降、取向度下降;當(dāng)復(fù)合薄膜從乙醇中干燥時(shí),由于乙醇的表面張力遠(yuǎn)小于水,這使得毛細(xì)管力減小,導(dǎo)致CNF具有更大的自由度,更低的取向度和更大的表觀謝勒尺寸(圖7)。當(dāng)復(fù)合薄膜從水環(huán)境中干燥時(shí),其MTM納米片自組裝過(guò)程分為三個(gè)階段:(1)固體含量為12-50%時(shí),MTM納米片有較為固定的分布區(qū)間且變化趨勢(shì)不明顯;(2)固體含量為50-80%時(shí),MTM納米片形成微聚體,導(dǎo)致取向度增高,表觀謝勒尺寸增加;(3)固體含量大于80%時(shí),毛細(xì)管力開(kāi)始發(fā)揮明顯作用,MTM晶體層面的微變形開(kāi)始發(fā)生,導(dǎo)致取向度下降。當(dāng)復(fù)合薄膜從乙醇環(huán)境干燥時(shí),發(fā)現(xiàn)微聚體在水/乙醇溶劑交換過(guò)程形成,隨著固體含量持續(xù)升高,微變形同樣發(fā)生,但由于乙醇具有更低的表面張力,使得它最終的微聚體尺度更大。

圖8:MTM納米片從不同樣品中干燥時(shí)不同尺寸層級(jí)聚集態(tài)形態(tài)和取向度變化。
論文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03664
部分作者簡(jiǎn)介:
Lars A. Berglund教授現(xiàn)為瑞典皇家理工學(xué)院(KTH)纖維與聚合物工程系教授,瑞典皇家工程院院士,國(guó)際生物納米復(fù)合材料領(lǐng)域知名專家,2023年獲國(guó)際纖維素與可再生資源材料領(lǐng)域最高獎(jiǎng)安塞姆·佩恩獎(jiǎng)(The Anselme Payen Award)。迄今已指導(dǎo)博士研究生30余名,在國(guó)際知名期刊發(fā)表論文150余篇,論文被引用近4萬(wàn)次。
Yoshiharu Nishiyama(西山義春)博士現(xiàn)就職于法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究院植物大分子研究中心,他致力于運(yùn)用現(xiàn)代衍射技術(shù)、分子動(dòng)力學(xué)模擬與計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算相結(jié)合的方法解析天然大分子的晶體結(jié)構(gòu),特別是氫鍵的結(jié)構(gòu)。1999-2004期間,他所解析的晶體纖維素的結(jié)構(gòu)(Iα, Iβ, II, III)為纖維素領(lǐng)域同行廣為接受。西山義春博士于2002年獲得日本木材學(xué)會(huì)獎(jiǎng),于2015年獲得有著“森林木材科學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)”之稱的馬庫(kù)斯·沃倫伯格獎(jiǎng)(Marcus Wallenberg Prize),2021年獲國(guó)際纖維素與可再生資源材料領(lǐng)域最高獎(jiǎng)安塞姆·佩恩獎(jiǎng)。
李崚灣博士現(xiàn)為瑞典皇家理工學(xué)院Lars A. Berglund教授團(tuán)隊(duì)博士后,主要研究方向?yàn)楦叻肿?納米纖維素基復(fù)合材料,X射線衍射等。共發(fā)表SCI論文30余篇,論文被引用600余次,近年來(lái)以第一作者/通訊作者在Advanced Materials,ACS Nano,Carbohydrate Polymers等國(guó)際知名期刊上發(fā)表論文10余篇。
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