特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。块状范德华 (vdW) 材料，例如六方氮化硼 (hBN) 和石墨，是将颗粒烧结成致密、机械强度高的块状形式的最具挑战性的材料之一。由于范德华材料分层结构中相邻层通过弱 vdW 相互作用结合，块状vdW 材料的传统制造需要1000°C以上的温度才能从相应的颗粒中烧结出来。有鉴于此，清华深圳国际研究生院苏阳副教授、中国科学院金属研究所成会明院士等人报告了二维纳米片的近室温致密化（例如~45°C 10分钟），形成孔隙率<0.1%的坚固块体材料，其机械强度比传统制造的材料更强。机理研究表明，水介导的范德华相互作用激活导致了坚固而致密的散装材料。最初，吸附在二维纳米片上的水起到润滑作用并促进排列。随后的挤压会闭合对齐的纳米片之间的间隙，并将其致密化为坚固的块状材料。水挤出还会产生应力，该应力随成型温度而增加，温度过高会导致片材间错位。该技术提供了一种节能的替代方案，可以设计各种具有定制成分和性能的致密散装范德华材料。 作者首先从相应的颗粒自上而下地制造 hBN (hBNNSs)、MXene、还原氧化石墨烯 (rGO)、MoS2和WS2的2D纳米片，然后将它们在 45°C 下，成型压力 (P) 为 375MPa，仅10分钟模制成vdW材料。测试表明块状vdW 材料的压缩强度高于传统HP烧结和放电等离子烧结制备工艺，这表明这些材料中成功致密化并形成了vdW相互作用。此外，据估计，该方法的能耗比传统的高温烧结方法至少低1-2个数量级。 作者使用模压块状六方氮化硼进行深入研究，分析表明其孔隙率仅为总体积的0.082%，明显低于致密 MXene 薄膜。通过HRTEM确认vdW相互作用，结果表明堆叠的 hBNNS 之间已经形成了 vdW 界面，hBNNS 之间的紧密且无空隙的接触增加了界面接触面积并激活了 vdW 相互作用，有助于形成强块体 hBN。进一步通过热重确定了vdW 相互作用在块状六方氮化硼中占主导地位。作者还研究了P、成型时间 (t)和成型温度 (T)对所得块状六方氮化硼机械强度的影响，当P>200 MPa和t> 1min时，达到最大致密化。 图 块状六方氮化硼的机械性能和微观结构随成型温度的变化接着，作者探究了纳米片成型块状vdW材料的机理，TGA结合质谱分析结果表明，hBNNS 上吸附的水对于成型块状六方氮化硼至关重要。通过真空退火对hBNNS进行脱水量化了水的影响。根据成型过程中含水量的变化，将结构变化分为两个阶段。初始阶段涉及建立大块 vdW 材料的主要排列，但水的逸出并不重要。第二阶段主要是由于致密化过程中的热蒸发和自由空间的消除，堆叠的纳米片中的水损失。作者通过理论结合实验证实了水的增塑效果，并提出了该成型方法的相关工艺。 作者演示了100mm×100mm×5mm hBN 片材的直接模制过程，证实了直接成型具有可扩展性，能够进行高产量制造，并具有良好的工艺灵活性。整个成型过程（包括加热和冷却）在15分钟内完成，有望实现高产量制造。通过修复六方氮化硼碎片也证明了其优异的加工性能。模制六方氮化硼具有无添加剂的特点，可实现长期稳定的散热，模制六方氮化硼的面内导热系数（K）为∼10–20 W m–1 K–1，高于报道的在相似温度下制备的六方氮化硼基材料。 Zhu, J., Li, F., Hou, Y. et al. Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-01840-0
