成会明/苏阳Nature Materials：颠覆传统！告别高温烧结！近室温水介质法打造超致密纳米材料！

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院，中国科学院金属研究所等

成果速览

本研究报道了一种近室温下通过水介质激活范德华相互作用，将二维纳米片致密化为强韧块体材料的新方法。例如，将二维氮化硼纳米片在约45°C的温度下致密化10分钟，得到的块体材料孔隙率低于0.1%，并且其机械强度高于传统高温烧结法制备的材料。

研究还发现，水分子在纳米片上的吸附起到了润滑和促进对齐的作用，随后的挤压作用关闭了纳米片间的间隙，形成了强韧的块体材料。

图文导读

图1：使用氮化硼作为例子，通过剥离纳米片和随后的成型来制备强韧、致密的范德华材料的示意图。比较了直接成型、火花等离子烧结和热压烧结从氮化硼颗粒制备的块体氮化硼的压缩强度，以及直接从氮化硼纳米片成型的压缩强度。图中还展示了通过纳米片成型的MXene、石墨、二硫化钼和二硒化钨的压缩强度与未剥离的相应颗粒材料的比较。

图2：不同成型温度下氮化硼块体的机械性能和微观结构的变化。图中显示了不同温度下氮化硼的压缩强度和弯曲强度，以及在25°C、45°C和110°C下成型的氮化硼的横截面扫描电子显微镜图像。

图3：水在氮化硼成型中的作用。图中包括了氮化硼纳米片的热重分析和质谱分析，不同水含量下成型的氮化硼的压缩强度，以及在不同温度下成型过程中氮化硼纳米片的致密化和对齐过程的示意图。

图4：成型氮化硼的加工性和热管理应用。图中包括了直接成型的氮化硼片的照片，通过填充氮化硼纳米片修复断裂氮化硼板的照片，以及使用铜徽章作为冲头在氮化硼板上压印的照片。

亮点介绍

1. 创新性地提出了一种近室温下通过水介质强化的范德华材料致密化新方法，大幅降低了传统高温烧结所需的能耗。

2. 通过该方法制备的氮化硼块体材料具有低于0.1%的孔隙率和高于传统方法的机械强度，显示出优异的综合性能。

3. 研究发现，水分子在纳米片上的吸附起到了关键的润滑作用，促进了纳米片间的对齐和致密化。

4. 该方法具有极高的可扩展性和灵活性，能够实现大规模、高效率的生产，同时支持复杂形状的成型和表面压印等后处理。

5. 制备的氮化硼材料在热管理领域展现出巨大潜力，其优异的热导率和稳定的热性能使其适用于高性能电子设备的散热。

计算模拟

在本论文中，作者采用了计算模拟的方法来深入理解材料的微观机制和性能。

分子动力学 (Molecular Dynamics, MD) 模拟：为了探究水分子在氮化硼纳米片（hBNNSs）成型过程中的作用，作者进行了分子动力学模拟。

模拟使用了基于第一性原理的ReaxFF反应力场来描述hBNNSs与水分子之间的相互作用。通过模拟，作者比较了有水分子和无水分子情况下两层hBNNSs之间的摩擦系数和界面剪切应力，发现水分子的存在显著降低了摩擦系数和剪切应力，从而促进了纳米片之间的滑动和对齐。

此外，模拟还研究了水分子在纳米片间蒸发所产生的压力，解释了为何在适中的温度下（如45°C）能够获得最佳的结构对齐和材料性能。

通过这些计算模拟，研究者能够更好地理解水分子在范德华材料致密化过程中的关键作用，以及温度对材料结构和性能的影响。这些模拟结果与实验观察到的现象相吻合，为材料的设计和优化提供了重要的理论依据。

测试表征

在本论文中，作者使用了多种测试和表征技术来分析和验证所制备的范德华材料的性能和结构。：

1. 扫描电子显微镜 (SEM)：用于观察成型后材料的微观结构和形态，特别是材料的致密性和可能存在的微裂纹。

2. 高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM)：用于详细分析材料的层状结构和层间距离，以及确认范德华界面的形成。

3. 纳米尺度X射线计算机断层扫描 (Nano-CT)：用于三维重建材料的空隙结构，量化材料的致密化程度和孔隙率。

4. X射线衍射 ( XRD)：用于分析材料的晶体结构和取向性，以及确定材料的相组成。

5. 宽角X射线散射 (WAXS)：与XRD结合使用，用于评估材料的结构对齐程度，通过Hermans取向因子来量化。

6. 热重分析 (TGA)：结合质谱分析，用于研究纳米片在加热过程中的质量变化，特别是水分子的释放情况。

这些表征技术为研究者提供了全面的信息，从而深入理解材料的微观结构、力学性能和热性能。通过这些综合的测试和表征，研究者能够验证其制备方法的有效性，并为进一步的材料设计和应用提供了科学依据。

文献信息

标题：Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets

期刊：Nature Materials