他，刚获国家科技进步一等奖，又连发2篇Nature大子刊，硕果累累！
学术
2024-11-03 22:07
浙江
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塑料薄膜是使用最多的材料之一。在许多应用中，都需要高强度和低厚度。最近，独立塑料薄膜的厚度已降至微米、200 纳米甚至 60 纳米。由于加工性与 “超薄 ”尺度（约 100-200 纳米以下）的稳定性之间存在冲突，因此进一步推进这一界限面临着相当大的挑战。为了克服这种权衡，四川大学傅强教授团队调节了塑料链的纠缠密度，以确定最大拉伸加工窗口。然后，在拉伸过程中引入松弛，以在动力学上稳定超薄薄膜。这样，聚乙烯薄膜的厚度就减少到了约 12 纳米，接近其临界厚度。这种临界厚度的聚乙烯显示出不同于大体积聚乙烯的物理特性，如高机械强度（113.9 GPa (g cm-3)-1）、异常的界面特性和接近 108 的高纵横比。这些薄膜的潜在应用包括核聚变点火支持和薄型透气表皮传感器。该工作揭示了接近加工极限的塑料薄膜的先进加工策略、独特性能和更广泛的应用。相关研究成果以题为“Scalable production of critically thin polyethylene films via multistep stretching”发表在最新一期《Nature Chemical Engineering》上。值得一提的是，2024年9月26日，四川大学傅强教授/吴凯副研究员、美国德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华教授团队合作在Nature Nanotechnology期刊发表题为“Mechanochemistry-mediated colloidal liquid metals for electronic device cooling at kilowatt levels”的研究论文。介绍了由Galinstan和氮化铝组成的机械化学介导的胶体液态金属，以弥合实践与理论之间的差距。这些胶体在实际热界面中的热阻介于0.42和0.86 mm2 K W-1之间，比主要热导体的热阻高出一个数量级以上。这种优异的性能归功于梯度异质界面在液固界面上的高效热传输以及胶体显著的触变性。在实际设备中，实验结果表明，当与微通道冷却相结合时，它们能够从16cm2的热源中提取2,760 W的热量，并能将泵的耗电量降低65%。热界面技术的这一进步为千瓦级设备的高效和可持续冷却提供了一个前景广阔的解决方案。C-PE的制造是通过挤压和超拉伸相结合的两步工艺完成的，它结合了传统的工业技术和精确控制，以达到临界薄度。挤压工艺（图1a）：聚乙烯(PE)粉末与凡士林在挤出机中混合，形成均匀的PE凝胶前体。凡士林充当溶胀剂，促进解缠结和均质化。然后将均质化的凝胶进行挤出，形成准备拉伸的前体薄膜。前体薄膜被双轴拉伸至其结构完整性的极限。目标是在保持机械稳定性的同时获得近临界厚度。拉伸和提取：前体薄膜被双轴拉伸至其结构完整性的极限。目标是在保持机械稳定性的同时获得近临界厚度。随后用己烷萃取去除凡士林，形成独立的多孔C-PE薄膜（图1b），厚度达到约12±5nm，通过触针轮廓测定法和原子力显微镜(AFM)进行验证（图1c）。结构特点：透射电子显微镜(TEM)显示薄膜内有纤维网络，结晶区域的晶格间距为0.62nm，比典型的PE晶格结构高约50%（图1d）。薄膜的临界厚度受高表面张力的影响，单晶PE的范围为10-30nm，易破裂薄膜的临界厚度为6nm，缩小了与理论加工极限的差距。紧接着，确定了对于C-PE实现高拉伸比和稳定性至关重要的特定加工窗口。该窗口定义了PE分子量(Mw)和浓度(Conc)的最佳组合。作者研究了分子量在2.5至1300万克/摩尔之间的不同PE浓度(1-30%)。当高分子量与低浓度配对时，可以实现高拉伸比（超过600倍），这种条件以“FQ等量线”为标志，表示超薄拉伸所需的稳定粘度和缠结密度。研究指出，粘度必须保持在特定范围内（~1,000Pa·s），以确保PE链保持足够的缠结并防止过早破裂。加工失败出现在FQ线之外：过度流动的前体由于低缠结而失败，而过度粘稠的状态在拉伸过程中会经历应变硬化和断裂。图2e-h实验表明，在此加工窗口内的PE前体表现出一致的机械性能，拉伸模量超过5GPa，超过了商业PE标准。链取向和缠结的可视化展示了支持有效C-PE拉伸的分子相互作用。作者还探索了动力学技术，通过减轻拉伸过程中的应力积聚来克服接近破裂极限时薄膜变薄的挑战。传统的一步拉伸技术，无论是同步还是异步，通常会因高应力集中而失败，从而阻止有效减薄约1µm的厚度（图3a-b）。作者开发了小幅度多间隔拉伸(SAMIS)，这是一种具有周期性松弛阶段的多步骤拉伸方法。通过交替拉伸方向并结合松弛间隔，SAMIS可以降低应力，使C-PE薄膜厚度薄至12nm，而不会影响结构（图3c）。时间-温度叠加效应可以根据具体应用要求调整温度和松弛周期，使SAMIS能够满足不同厚度的需求（图3d）。最后开发了具有不同厚度和拉伸强度的C-PE薄膜库，表明SAMIS的广泛潜力。当研究达到接近理论极限的厚度时，它研究了由此产生的机械和功能特性，展示了 C-PE 优于传统薄膜的应用。该薄膜表现出独特的界面行为，例如书法墨水尽管具有疏水性，但仍能通过 C-PE 到达水中，这表明其在选择性膜技术中的应用（图 4a）。此外，C-PE的承载能力也很显着，12纳米薄膜可支撑其重量55,000倍的载荷，凸显了其卓越的机械强度（图4b）。在独立状态下测试的 C-PE 样品显示出 1.7 GPa 的拉伸强度，超过了不锈钢等材料（图4c）。在低于聚合物回转半径的薄膜中观察到刚度激增，这与临界薄膜中常见的橡胶硬化效应一致。最终C-PE 实现了高密度比拉伸模量 (113.9 GPa·g/cm3) 和接近的长径比108，在需要高强度重量比的应用中具有显着的优势（图4e）。对于核聚变，C-PE 可以取代聚乙烯醇缩甲醛 (PVF) 来支撑燃料胶囊，因为其在更薄尺寸下的机械弹性优于 PVF。得益于 C-PE 的灵活性和一致性，扩展应用包括用于实时监测电解质和葡萄糖的表皮传感器（图4f）。生产超薄PE薄膜的主要障碍在于平衡超薄尺度的稳定性和可加工性。作者通过微调分子链缠结并引入SAMIS克服了这一挑战，使C-PE成为厚度低于20nm的可行材料。SAMIS方法和确定的加工窗口是核心贡献，使超薄PE薄膜的规模化生产成为现实，并标志着塑料材料工程的关键点。这项工作为塑料薄膜生产的未来发展提供了基础方法，并有望激发C-PE在高性能应用中的应用。该研究在临界薄膜的规模化生产方面迈出了重要一步，拓宽了当前塑料能力之外的应用范围。
