具有极端力学性能的材料可以满足日益增长的工程需求，有希望将科幻小说中的太空电梯、太阳帆、戴森球等超级工程带入现实。然而像石墨烯(σ=130 GPa)、碳纳米管(σ>100 GPa)等纳米材料的优异力学性能仅能维持在纳米尺度，而难以长程有序地向宏观尺度延续，其原因主要是纳米材料间的微观应力传递太弱。在人类连续制备出千米尺度的石墨烯、碳纳米管之前，提高微观应力传递仍是提高宏观力学性能的主要方法。

图1. 芳纶纳纤基复合膜的设计、制备与性能。(a) 溶液-凝胶-固体转化过程。(b) 增强机理。(c) 复合膜性能对比的雷达图。

图2. 复合膜的超强韧机械性能。(a, b) 透明的原始芳纶纳纤膜和复合膜(厚度均为～5 μm)。(c) 柔性展示。(d) 拉伸失效后APG薄膜的类贝壳珍珠层状横截面SEM图像。(e) 断裂的顶视图SEM图像，其中纳米纤维被拉出并沿拉伸方向对齐。(f) 在主裂纹尖端产生的微裂纹。(g) 拉伸应力-应变曲线。(h) 从应力-应变曲线统计的抗拉强度和韧性比较。

图3. 芳纶纳纤和氧化石墨烯片之间的界面相互作用。(a) 纳纤的AFM图像。(b) 纳纤/氧化石墨烯的AFM图像显示了两种组分的亲和力(灰色虚线勾勒出复合材料和基板的边界)。(c) 不同混合分散体的Zeta电位。(d) 复合材料在达到热力学平衡过程中的分子结构演变。(e) 密度泛函理论计算的系统能量随质子位置而变化。

图4. 对比试验验证拓扑增强机理。(a-c) 引入不同填隙组分对结构缺陷的影响图示。(d)–(f) FIB-SEM表征对应(a-c)的截面。(g) 不同填隙材料的力学对比。(h, i)不同填隙材料的尺度和形貌对比。

图5. 复合膜的综合性能。(a) 复合膜强度和韧性的ashby图。(b) 复合膜在100°C下处理不同时间的力学性能变化。(c) 在不同温度下处理8小时后的力学性能变化。 (d) 180°折叠10000次后的抗疲劳性(插图：疲劳试验后折痕的SEM图像)。

  这项研究以“A Synergistic Interfacial and Topological Strategy for Reinforcing Aramid Nanofiber Film”为题发表在《Materials Horizons》上(DOI: 10.1039/D3MH00866E)。清华大学化学系2021级直博生金炯克为该论文的第一作者。合作者包括北京大学的牛佳莉研究员和北京化工大学的吴扬研究员。该研究得到了得到了国家自然科学基金、重点研发计划等经费支持。

  张莹莹课题组：主要研究面向生命健康监测的纳米碳材料、丝蛋白材料及两者的功能复合材料，发展其在柔性电子器件、智能织物和特种纤维领域的应用。