28日，中山大學化學學院鄭治坤教授團隊成功制備出高韌性、高彈性、高機械強度的二維晶體薄膜，并報告了一種利用犧牲性小分子結構導向試劑導向相鄰晶疇形成編織晶界結構的制備方法，有望擴展晶體膜在分離、光電、柔性器件等領域的應用，相關成果在《自然》雜志上刊發。
從原油到汽油、柴油等成品油，往往需要經過蒸餾、催化等工序分離不同物質。從大型煉油塔的建造和維護，到加熱消耗的能源，石油化工近80%成本花在分離上。膜分離法成為化工生產領域降低能源消耗、削減加工成本、提高分離效率和產品純度的一條“出路”。
傳統有機高分子材料制成的分離膜，浸到油里會被溶解或溶脹，使用全結晶的分離膜則可有效避免這些問題。為此，鄭治坤團隊深入研究晶態聚合物均孔膜的制備、結構和性能調控等問題。從把膜制作出來，到實現孔道結構均一，再到讓它更高效、更可靠、更耐用。“我們這項研究其實解決的是兩個力學問題，一是實現材料強度和韌性的同步增強，二是改善晶體的脆性，提高其機械穩定性。”鄭治坤說。
在該研究中，團隊在制備二維晶體聚合物時加入犧牲性導向試劑，以線性聚合物為“梭”，利用其自發纏繞、穿插的特性，將二維聚合物編織起來，形成編織晶界。待晶界形成，線性聚合物又會隨排異的結晶過程自動離開。
進一步實驗表明，這種全新晶界結構——編織晶界連接形成的晶態聚合物膜具有高韌性、高彈性和高機械強度的特點，其抗壓性能接近鋁合金和黃金。當材料受力斷裂時，裂紋不擴展，且不影響裂紋附近膜的機械性能。
“這為二維晶體材料在柔性器件和分離膜方面的應用奠定了基礎。柔性材料可用于生產柔性顯示器、柔性電池、柔性傳感器等。膜分離技術則已普遍用于化工、環保、生物工程等領域。與常規膜分離相比，全結晶的聚合物膜有望以更高效率分離出更高純度的物質。”鄭治坤說。
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