Nature：納米紅外研究無機納米顆粒-聚合物復合材料界面效應

來源：瑞科和利（北京）科技有限公司 2024年06月27日 14:50

摘要

以聚合物為基體，無機納米粒子為填料的聚合物納米復合材料具有優異的力學、電學和熱學性能。納米顆粒和聚合物之間的界面效應通常被認為是實現這些性能增強的關鍵因素。然而，如何理解界面效應以及界面微區的結構與性能是聚合物納米復合材料領域長期面臨的基礎性難題。

近期，來自武漢理工大學、清華大學、伍倫貢大學等學校的科學家們將Bruker的光熱誘導納米紅外技術與其他技術相結合，直接探索納米顆粒-聚合物納米級界面區域。研究發現無機納米顆粒與聚合物基體的界面存在強極性構型的“雙界面層”結構，包括10納米厚的內層和大于100納米的外層界面。分子動力學及相場模擬結果表明納米顆粒表面電勢以及顆粒間距的協同作用是形成界面極性構型的關鍵作用機制。這項研究的結果有助于闡明界面處的相互作用機制，并為制備納米復合材料以獲得更佳性能提供有價值的見解。

利用無機納米粒子/聚合物復合材料的高極性“雙界面層”行為，科學家們在具有超低無機填料含量的納米復合材料中獲得了顯著增強的介電及壓電性能。相關研究成果以Unraveling bilayer interfacial features and their effects in polar polymer nanocomposites為題，發表在Nature Communications上。

實驗內容

實驗選擇典型的鐵電聚合物PVDF作為基體，填充TiO₂納米顆粒。其中PVDF膜層的厚度低于納米顆粒的直徑，使TiO₂能夠暴露在膜層表面（圖1 a）。圖1b，c 樣品表面和橫截面的SEM圖像顯示顆粒表面存在約10nm的包裹層。HADDF和碳成像圖（圖1d，f）進一步表明10nm的結合層富含碳元素，為有機碳鏈鍵合在納米顆粒表面。采用布魯克nanoIR3納米紅外系統進一步研究了界面區域的化學結構（圖1 e f）。采用PVDF極性構象的波數（866cm-1）和非極性構象的吸收波數（766cm-1）進行紅外成像，分別對應圖1f中圖和右圖。紅外成像圖顯示納米顆粒周圍存在100nm以上強極性構象區域。壓電力顯微鏡（PFM）采集平行于膜平面和垂直于膜平面的L-PFM圖像及面外V-PFM圖像，結果顯示顆粒的L-PFM呈現一半亮一半暗的結構，V-PFM呈現全亮的結構。表明納米顆粒/聚合物的內層界面區域內偶極子的極化方向垂直于納米顆粒表面。綜合以上的觀測結果，作者揭示了無機納米顆粒與聚合物基體的界面存在強極性構型的“雙界面層”結構，由10nm的極性偶極子內層界面的和100nm強極性構象的外層界面組成。

建基于抗體的病毒-二茂鐵復合物

作者采用nanoIR3納米紅外系統進一步研究了納米顆粒的間距對界面效應的影響（圖2）。距離較遠的納米顆粒會形成強極性構象結構界面（圖2 b左圖）；距離相對較近的納米顆粒，其界面區域相互重疊，將抑制極性構象的形成（圖2 b中圖）；納米顆粒相互連接時，界面區域也傾向于相互合并（圖2 b右圖）。FTIR檢測不同TiO₂納米顆粒含量的宏觀材料中極性構象的比例（840 cm^?1/766 cm^?1及 1279 cm^?1/766 cm^?1峰強比），TiO₂納米顆粒含量0.35%時極性構象最多，繼續增加納米顆粒含量，由于納米顆粒間距變小，界面區域相互重疊使極性構象含量降低。分子動力學及相場模擬表明極性構象界面的形成取決于納米顆粒表面電勢以及顆粒間距的協同作用。

采用納米疊層設計（Al₂O₃/PVDF/ Al₂O₃）表征單一界面層的貢獻。納米疊層納米復合材料的介電常數εr與PVDF的膜厚具有很大的相關性，并隨著PVDF膜厚的減小而增加。由于界面極性層的影響，納米疊層納米復合材料顯示出比Al₂O₃（εr~9.8）和PVDF（εr~7.8）更高的εr。而Al₂O₃(15 nm)/PVDF (10 nm)/Al₂O₃(15 nm)/PVDF (10 nm)/Al₂O3 (15 nm)，包含兩層內層界面層結構，表現出86 J/cm³的超高介電能量密度，遠高于文獻報道的納米復合材料的介電能量密度。同時具有76%的能量效率，與大多數介電聚合物或納米復合材料相當。

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