仪器创新应用,科学家合成表征二维材料家族新成员!
【科学背景】二维材料因其独特的物理和化学性质而成为材料科学领域的研究热点。自2004年通过机械剥离法从石墨中剥离出石墨烯以来,二维材料在凝聚态物理学、材料科学和化学领域展现了优异的性能和应用前景。然而,将纯有机分子纤维编织成无瑕的二维图案仍然是一项巨大的挑战。虽然宏观织物的美观性和实用性激励化学家将分子编织成交错图案,但纯有机自由悬挂二维编织聚合物网络(2DWPNs)的单晶尚未得到全面研究。因此,获得精确的结构信息,如键长、键角和聚合物网络中原子的空间位置,变得困难。此外,从分层材料中剥离的自由悬挂二维单层编织片材稀少,妨碍了对其多样表面和结构特征的有效探索。 有鉴于此,浙江大学黄飞鹤团队、李光锋研究员、美国德州大学奥斯汀分校Jonathan L. Sessler教授和浙江工业大学化工学院朱艺涵教授合作提出并实现了一种基于配位B&minus N键驱动的无瑕纯有机自由悬挂二维编织聚合物网络的合成方法。通过定义基于1,4-二(苯并二噁硼)苯(BDBB)和1,2-二(4-吡啶基)乙烯(BPE)编织聚合驱动的两上两下编织图案,获得了这种2DWPN。使用单晶X射线分析揭示了该编织聚合物网络的明确定义的编织拓扑结构。此外,科学家们使用Scotch Magic Tape成功从块状晶体中剥离出自由悬挂的二维单层纳米片,并通过低剂量低温电子显微镜成像技术研究了这些纳米片的表面特征。研究结果展示了纯有机编织聚合物网络的精确构建,并突显了在二维有机材料中应用编织拓扑结构的独特机会。这一研究不仅为二维编织材料的形成机制和结构-性能关系提供了新的见解,还为未来在现代社会中应用新型多功能材料开辟了新的道路。【表征解读】 本文通过纳米压入法和PeakForce定量纳米机械映射等先进仪器,对2DWPN-1和NWPN-1晶体的机械性能进行了深入研究,揭示了编织拓扑对其力学响应的影响。通过对比分析这两种材料的机械行为,本文不仅展示了它们在负载下的变形特性,还揭示了编织结构所带来的独特柔韧性。这些发现为理解材料的微观结构与宏观性能之间的关系提供了重要依据。 针对2DWPN-1晶体表现出的优越柔韧性现象,本文采用纳米机械表征手段,深入探索了其微观机理。研究发现,2DWPN-1的聚合物链因其编织结构而具有更高的构象自由度,从而在外部载荷下能够有效分散应力。具体而言,分子经纬纱的相对滑动和聚合物链的交错结构共同维持了材料的完整性,显著降低了应力集中,赋予了晶体优异的机械性能。 在此基础上,本文综合使用了载荷-位移(P–h)曲线、Derjaguin–Müller–Toporov模量映射等多种表征手段,对2DWPN-1和NWPN-1的机械性能进行了全面的对比分析。结果表明,2DWPN-1在相同负载条件下的位移深度明显大于NWPN-1,同时硬度值较低,表明其具有更高的柔韧性。这一结果不仅确认了编织拓扑对材料性能的积极影响,也强调了材料设计中拓扑结构的重要性。 总之,经过系统的纳米机械表征,本文深入分析了2DWPN-1与NWPN-1之间的机械性能差异,进而成功制备了新型编织拓扑材料。这一研究为未来开发具有特殊性能的功能材料提供了新的思路,并推动了材料科学领域在拓扑设计和性能优化方面的进步。通过这种创新性的材料设计,未来的研究有望在柔性电子器件、生物医学传感器等多领域实现更广泛的应用,推动相关技术的发展与进步。【科学图文】图1:标记为2DWPN-1的二维瓦普材料(2DWPN)的示意图。图2:NWPN-1和2DWPN-1拓扑形成机制。图3:原子级薄2DWPN-1薄片的制造和表征。图4:二维瓦普材料(2DWPN-1)晶体的低温低剂量高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像。图5:2DWPN-1和NWPN-1的机械性能研究。【科学结论】本文的研究揭示了将分子编织技术应用于二维材料领域的巨大潜力,特别是在纯有机体系中构建精确编织拓扑结构的可行性。通过配位B&minus N键驱动的编织聚合反应,研究人员成功合成了无瑕的二维编织聚合物网络(2DWPN),并通过X射线衍射和低温电子显微镜技术对其结构进行了详细表征。这一成果不仅展示了二维编织材料在材料科学中的新进展,还突破了自由悬挂二维单层的制备难题,为二维材料的研究和应用开辟了新方向。此外,本文的研究还突出了编织拓扑结构在材料性能调控中的独特优势。编织结构能够有效分散应力,增强刚性晶体的柔韧性,这一发现为设计具有优异机械性能的二维材料提供了新的思路。同时,通过调节配位B&minus N键的角度来精确控制文献详情:Xiao, D., Jin, Z., Sheng, G. et al. Single crystals of purely organic free-standing two-dimensional woven polymer networks. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01580-3