Nature Materials：近室温下水介质实现块状范德华材料纳米片致密化

一、 【科学背景】   

六方氮化硼(hBN)和石墨等范德华(vdW)材料通常需要高温或/和高压，才能从颗粒状制备成致密、机械强度高的块状。制备的难点在于层状结构的每一层在平面内以共价键结合，但相邻层由弱vdW相互作用结合。在实践中，vdW材料的制备通常采用热压(HP)和场辅助烧结等高温烧结方法，这些方法可以激活颗粒间缓慢的扩散过程，并将这些颗粒结合成块状材料。该工艺可以在较低温度下使用熔化的烧结添加剂将颗粒熔合成块状材料。然而，烧结温度很高(> 1000°C)，烧结添加剂会对最终产物的物理性能产生不利影响。冷烧结是低温制造某些无机材料的典型方法，但它需要烧结材料或相应的前驱体的局部溶解和结晶，不适合大多数vdW材料，因为它具有较差的水溶性，或者需要高温将相应的前驱体转化为最终的vdW材料。目前还缺乏以低能源成本制造大块vdW材料的证明。

与传统工艺所需的高温相反，最近的研究表明，在室温下，各种堆叠的二维(2D)纳米片可以通过vdW力结合形成二维vdW异质结构。尽管这些研究只涉及几到几十层二维纳米片，它们表明了在不使用高温的情况下，可以通过将许多二维纳米片结合在一起获得大块vdW材料的可能性。

二、【创新成果】

近日，来自中国科学院金属研究所的成会明院士和清华大学深圳国际研究生院的苏阳副教授和等研究者在Nature Materials期刊发表了题为“Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets”的论文，该项研究发现典型的二维纳米片材料，包括hBN，石墨烯，Ti₃C₂T_x (MXene)和过渡金属二硫化物，在接近室温的温度下形成了稳定的块状材料，为vdW材料的制造提供了一种节能的途径。

图1  成型纳米片制备坚固致密的大块vdW材料。© 2024 Springer Nature

图2 块体hBN的力学性能和微观结构随成型温度的变化。© 2024 Springer Nature

图3 了解水在块状hBN成型中的作用。© 2024 Springer Nature

图4 成型hBN的可加工性及其热性能。© 2024 Springer Nature

作者报告了在近室温下致密化的二维纳米片，形成孔隙率<0.1%的强体材料，其机械强度比传统制造材料的强。机理研究表明，水介导的范德华相互作用的激活是形成坚固而致密的块状材料的原因。最初，水吸附在二维纳米片起润滑和促进排列作用；随后的挤压使排列整齐的纳米片之间的间隙缩小，并使其致密成坚固的块状材料。水挤压还会产生应力，应力随成型温度的增加而增加，过高的温度会导致板间错位;因此，采用近室温成型工艺是有利的。该技术提供了一种节能的替代方案，可以设计具有定制成分和性能的各种致密块状范德华材料。

 三、【科学启迪】

该项成果报道了通过在室温下对二维纳米片进行模压，制备出一系列致密且坚固的大块vdW材料。由于大块vdW材料具有优异的的热学、电学和机械性能，所以具有广泛的工业应用。本文所报道的具有前所未有的可加工性和可扩展性的工艺为低能耗的vdW材料开辟了一条制造路线。此外，作者设想可以通过结合不同二维纳米片和与其他低维材料杂化，来设计一个大的vdW材料家族，其性质值得探索。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41563-024-01840-0