聚焦·近日华人2篇《Science》在制造更强的碳纤维、单层二维高分子领域取得重要进展_断裂_化学_光学_电子_UG

聚焦·近日华人2篇《Science》在制造更强的碳纤维、单层二维高分子领域取得重要进展

德国拜罗伊特大学Andreas Greiner团队通过改进分子交联让碳纤维既强又韧。相关论文以“High strength in combination with high toughness in robust and sustainable polymeric materials”为题，于今日凌晨发表在《Science》杂志上。，第一作者为Xiaojian Liao，合作作者还包括来自江西师范大学侯豪情教授。

采用商品化的聚丙烯腈Dolan（含有4.18mol%的丙烯酸甲酯共聚物）和二叠氮聚乙二醇（PEG-BA）混合后，对其进行电纺获得连续的纱线。其中PEG-BA作为交联剂，用于“点击”反应。在空气气氛中，160℃下预拉伸。拉伸后的纱线在120°，130°和140°C下进一步退火数小时，获得高强度和高韧性的纱线（i-EASY）。

从分子结构上看，纱线韧性来源于聚合物分子链间的交联作用。可以在聚丙烯腈和甲基丙烯酸酯的聚合链（PAN-co-MA）之间发生“点击”化学反应，这就形成了梯型聚合物结构，如图1a的示意图所示。而图1b则展示出具有这种微观结构的纤维在拉伸过程中的组织演变。此外，在结构优化过程中，这种梯形结构带来的高牵伸特性也有利于更有效地提升分子链的取向性和结晶度。

图1. 通过共聚反应形成的梯形聚合物结构（A）以及具有该微特征的纤维组织结构在牵伸过程中的演变示意图（B）。

从图2中可看出i-EASY纱的拉伸强度能够达到1236± 40 MPa，断裂韧性为137±21 J/g，媲美一些天然蜘蛛丝。此项工作无疑会对纳米纤维产业带来推动作用，在一些思想上也给材料科学家带来很多启示。

图1. 相比于其它聚丙烯腈基碳纳米纤维纱，i-EASY纱线具有更高的拉伸强度和断裂韧性。

部分参考：张骁骅，改进分子交联让碳纤维既强又韧｜Science述评，ScienceAAAS

芝加哥大学Jiwoong Park教授课题组提出了一种制备大面积单层二维高分子的新方法，并成功实现了有机-无机二维材料的层层组装超晶格结构。相关工作以“Wafer-scale synthesis of monolayer two-dimensional porphyrin polymers for hybrid superlattices”为题，于2019年11月7日在Science 期刊上以First Release的形式在线发布。今日凌晨正式上线。论文共同第一作者为芝加哥大学化学系钟宇博士和研究生成宝睿。

单层二维高分子是将单体分子通过共价键或配位键连结成具有二维周期性结构的材料。在该研究中，Jiwoong Park课题组合成了四种基于卟啉单体的二维高分子，包括共价型和配位型两种类型（也可分别称为二维共价有机框架和二维金属有机框架）。它们的性质和结构由不同的单体分子和聚合反应来调控。图1展示了四种二维高分子的结构以及被转移到直径为5厘米的石英玻璃衬底上之后的合成光学图片。光学图像显示了不同二维高分子有着不同的吸收谱，并且所有二维高分子在厘米级的尺度上有着高度均匀性。

图1. 大面积单层二维高分子。

研究者通过微纳尺度上的表征证实了合成的二维高分子均有单分子层的厚度，即为单层二维高分子，同时也验证了配位型二维高分子的晶体结构。这些单层二维高分子在微米尺度上可以作为自支撑的薄膜，进一步表明了这些单层高分子是聚合的而不是离散的单体分子膜。

图2. 单层二维高分子的表征。

该工作中的一项重要成果是研究者发明了一种合成单层二维高分子的新方法，被命名为Laminar assembly polymerization（LAP）。LAP 是一种基于液-液（戊烷-水）界面的合成方法。与传统的液-液界面反应不同的是，卟啉单体分子是被直接传送到液-液界面上而非溶解在有机相（戊烷）里。这样，卟啉单体在界面上的自组装能够确保仅形成单分子层。同时，单体分子在界面上以类似层流（laminar flow）的方式从反应器的一端逐渐传输到另一端，直到覆盖整个液-液界面。这种层流组装方式不仅能够简单高效地合成大面积、完整的单层二维高分子薄膜，而且可以生长单层二维高分子的平面异质结。

图3.LAP的原理及二维高分子异质结的制备。

另外，研究者也展示了利用单层二维高分子和无机二维材料通过层层组装的方式构建有机无机超晶格结构。在杂化超晶格材料中，不仅每层的组分能够任意选择，而且能够通过改变堆叠的次序来调控结构或超晶格常数。并且，这种杂化超晶格可以直接用于制备大面积的电子器件阵列。

图4.有机-无机杂化异质结以及器件阵列。

广泛意义和影响

二维材料异质结不管在基础研究领域还是实际应用中都是非常重要的一类材料。单层二维高分子的合成和组装，打破了有机材料和无机材料之间的壁垒，为合成新型杂化范德华异质结提供了一种新的方法。二维高分子与无机二维材料有着全然不同的性质，二者的结合将构建一种全新的异质结体系。

另外，单体分子的多样性给二维高分子的功能化提供了几乎无限的可能。基于二维高分子的杂化异质结将有助于实现更多的功能性的纳米电子器件。

文章来源：高分子科学前言整理自：ScienceAAAS，知社学术圈部分来源：知社学术圈

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来源：碳纤维生产技术

普及·为何“轻量化”不等于“重量轻”！

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证明，汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半。由于环保和节能的需要，轻量化技术的应用成为现代汽车发展的主要趋势之一。多数人对轻量化的认知还停留在轻量化话就是要尽可能地降低车重，但事实并非如此。真正的轻量化并不是降低重量，而是平衡动力与车重之间的参数。平衡动力与车重之间的参数也就是我们所称的动力推重比。我们在改装车辆时，轻量化的最终目的无非是使爱车的实际动力表现有所提升，具有更强的操控性。举个例子，以漫画《头文字D》中的AE86为例，250匹马力推动860公斤的车重，也就是每匹马力可以推动3.44公斤。与此同时，假设对手是一台初代的马自达MX-5（NA），虽然其车重仅为800公斤，但马力只有160匹，那么通过计算，其每一匹马力需要推动5公斤的车重。通过对比，虽然AE86的车重更高，但动力推重比更强，从最终的计算参数可以评判出，相比于马自达MX-5（NA），AE86则更为轻量化。说到这里，大家想必会有这样的疑问，既然轻量化是提升动力推重比，但倘若车重过高，惯性无疑会进一步增加，对于车辆的操控会造成不利影响，无法驾驭更强的动力。首先，轻量化并不是单纯评判车重的用词，它是评判一组参数的关系。其次，车辆也并非越轻越好，即使车重可以压缩到700公斤量级，倘若车身重量平衡不佳，反而会放大惯性对于操控的影响。追根溯源，轻量化一词起源于赛车运动，对于所有的赛车而言，提升速度是最终目的，而相比于提升马力，降低车重反而效果更为显著。但无论采用何种方式，最终目的都是为了提升动力推重比，以换取更强的动力表现与速度。来源：汽车轻量化产业链特别声明:公众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公众号稳定发展，本公众号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术