寻找青年的声音

寻找青年的声音|从底层架构探索新路径,“二维聚合物将是下一代超强材料的最佳候选”@复旦大学曾裕文

来源:Original    作者:admin    发布时间:2023-12-14    访问量:1233
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现如今,以芳纶、超高分子量聚乙烯、碳纤维等为代表的一维超强材料已然成为航空、航天等众多对性能敏感领域中的关键材料。


然而,经过多年研究,

这些材料的强度已经逼近理论上限,

难以进一步提升,

并且其高昂的生产成本与复杂的加工工艺

也让它们成了“贵族材料”,

限制了其在民用端的广泛应用。


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“基本上所有的材料问题归根到底都是结构问题,而所有的结构问题归根到底又都是化学问题。因此如果想要做出一个全新的材料,就需要从最底层化学原理进行突破。”获得2023浦江创新论坛寻找青年的声音活动“青年先锋”称号、复旦大学青年研究员曾裕文表示,“我们研究的二维聚合物具有高强度、低成本、各向同性好等优势,有望作为下一代强度材料在国民经济中发挥重要作用。

上限已至,那就走一条新的路

其实早在数十年前,美国一些相关研究机构就将二维聚合物视为下一代超强材料,并进行了多年的理论探索。然而,直到去年,曾裕文才首次实现了超强二维聚合物的合成,完成了超强材料领域的新突破。


提到超强材料,大家可能首先会想到碳纤维、凯夫拉(防弹纤维)以及超高分子量聚乙烯这些一维合成材料。毕竟这些材料经过几十年的发展,在抗拉强度方面已达到钢材的5-7倍。然而,尽管这些材料如今已被广泛应用于多个领域,而且全球相关企业和研究机构仍在几十年如一日的持续投入,希望再度提升材料强度,可新的进展却越来越难以取得。


“我们可能很难想象哪一天早上起来看见一个大新闻,说某个公司把碳纤维的强度提升了20%,因为我们已经很接近这些材料的极限了。”曾裕文坦言,以前的这些一维超强材料的发展已经非常成熟,很难再提高了,并且它们的成本也很高,一直很少会用在民用领域。

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为了让超强材料在未来可以走进千家万户,曾裕文选择了新的方向。“我觉得如果我们想要大幅突破已有体系,唯一的办法就是走一条新的路,一条别人没有走过的路,这样才有可能从底层建立一个超越现有体系的新体系。”


曾裕文是这么说的,也是这么做的。他选择了一条新的道路,也就是基于二维聚合物去构建超强材料。对此,曾裕文感概:“很荣幸合成出了一种前所未有的新材料。未来希望能将它可以应用到国民生活当中,如果有一天能在日常生活中见到我们研发的材料,哪怕只是在非常不起眼的角落,我都会感到无比自豪。”


最终性能,取决于“木桶”的最短板

由二维聚合物构建的二维超强材料,有着比一维超强材料更简洁的组装路径。由于消除了组装过程中的短板,使其拥有了更高的理论强度上限,以及更低的工艺要求和生产成本,这使得二维聚合物成为下一代超强材料的“最佳候选”。

具体来说,无论什么材料,哪怕是一根细如发丝的纤维,其本质上都是由无数肉眼看不见的微观分子组装而成的三维宏观材料。对于一维超强材料来说,其微观组成基元是一维的线性高分子,需要经过两步组装才能升维到三维宏观材料,而这其中,有一步是基于分子间的弱相互作用力,因此作为短板最终限制了材料的力学性能。不同的是,二维超强材料是由二维高分子组成,仅需一步堆叠就可以得到三维的宏观材料。
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“少了一步过程就少了一些不可控性。”曾裕文进一步解释道,材料的强度就像木桶一样,由最短板决定。一维聚合物组装过程中有多个环节,因此决定它最终强度的其实是最薄弱的那个。相比之下,二维聚合物的组装路径短、可控性高,再加上我们主动引入一些强的分子间作用力,消除了一维材料中存在的短板,因此可以更简单地实现材料的高强度。

经过初步研究,曾裕文合成的二维聚合物已经拥有两倍于钢的屈服强度,考虑到其密度仅有钢的1/6,比强度(单位重量的材料所能提供的强度)则是钢材的12倍。作为兼顾成本与性能的下一代超强材料,二维聚合物虽然已经展现出了优异的机械性能与发展潜力,但其拉伸强度与碳纤维等一维超强材料仍存在一定差距。未来,曾裕文希望可以继续提升材料强度,在一定程度上实现对现有体系的替代。


不断探索,为进入到千家万户

从“新机制”到“新材料”,再到“新应用”,曾裕文的研究覆盖了全研究链条。从科学角度看,研究从原理上阐述了不可逆二维聚合的实现途径,对该领域的未来探索提供了很好的指导意义。从应用角度看,材料本身展示出了良好的应用前景,可作为现有超强材料的有效补充,未来应用到需求量更大、对价格也更敏感的民用领域。

除了超高的强度,二维聚合物还展示出了一些独特的功能。例如,得益于其致密的二维分子堆积方式,二维聚合物材料在气体阻隔性能上表现优异,是迄今为止最优异的合成阻隔材料。这样的功能使其有望应用于各种包装材料,从作为铝塑膜的替代品用于锂电池封装,到日常包装材料用于食材的保鲜;或者作为高阻隔涂层,用于高压氢气储存瓶的内部防渗漏,实现更清洁环保的能源储存。

“希望我们能够用二维聚合物开发出各种价格低廉但性能卓越的功能材料,广泛应用于千家万户。我相信,未来这完全可以实现。”

自问世以来,二维聚合物已经在多个领域表现出了应用潜力,为未来的科技发展和生活品质提供了崭新的可能性。未来,“我将在前期研究的基础上,深入探索二维聚合物材料的结构-强度关系,揭示影响材料机械性能的一些关键因素。不仅为推动材料性能的提升,也为二维聚合物未来进入大家的日常生活而不断努力。”


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Q


此次参加“寻找青年的声音”活动有什么感受?

曾裕文:我认为新的想法和技术经常在思维的交流碰撞中产生。青年论坛为大家提供了一个良好的平台,使我们能够彼此分享自己的工作并与他人互动。交流是一个长期的过程,我相信无论是什么学科,交流都能带来丰富的收获。举个例子,我曾在一个交叉学科的会议上分享了我的材料研究,结果引起了一位量子物理学家的兴趣。他认为我的材料可能在量子领域会有独特应用。虽然我并不懂量子力学,也不知道我的材料怎么才能应用到量子领域,但这样的自由交流状态还是让我感到非常愉快。因为通过这种方式,我们可以得到很多新思路和潜在的合作机会。



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