范德華塊體材料，如六方氮化硼和石墨，在導(dǎo)熱和高溫結(jié)構(gòu)材料等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。然而這類范德華塊體材料通常需要在高于1000°C的高溫下燒結(jié)制備、能耗巨大。
3月15日晚，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、深圳理工大學(xué)（籌）、中國科學(xué)院金屬研究所成會明院士與清華大學(xué)深圳國際研究生院副教授蘇陽團(tuán)隊合作，首次將六方氮化硼剝離為二維氮化硼納米片，然后對納米片進(jìn)行加壓密實化組裝，可以在近室溫條件下（室溫至60 °C）“自下而上”地制備氮化硼塊體材料。該方法將制備該類材料的能耗降低了至少一個數(shù)量級。
該成果以“Near-room-temperature Water-mediated Densification of Bulk van
?der Waals Materials from Their Nanosheets”為題發(fā)表在《自然—材料》（Nature Materials）上。
該研究團(tuán)隊從范德華材料的結(jié)構(gòu)特性出發(fā)，由于該類材料的構(gòu)筑單元之間主要以范德華力結(jié)合，只要這些構(gòu)筑單元之間存在納米及亞納米尺度接觸，就可以激活范德華作用，實現(xiàn)無需高溫?zé)Y(jié)的范德華塊體材料的制備。為了驗證這一想法，團(tuán)隊在近室溫條件下壓制了石墨烯、六方氮化硼、MXene、金屬硫化物等二維納米片，成功制備出一系列高密實化、高機械強度、納米片高度定向組裝的范德華塊體材料。同時，受益于溫和的制備工藝，該方法可用于大規(guī)模、快速制備范德華塊體材料，并可應(yīng)用于范德華塊體材料的修復(fù)、表面壓印等傳統(tǒng)燒結(jié)法難以實現(xiàn)的應(yīng)用。
二維納米片制備范德華塊體材料的示意圖、六方氮化硼塊體材料的機械強度及微觀結(jié)構(gòu)表征。
研究進(jìn)一步揭示了納米片表面吸附水分子的誘導(dǎo)作用是近室溫組裝范德華塊體材料的關(guān)鍵機制。在組裝過程初期，水作為潤滑劑，可降低納米片滑移和定向排列過程中的摩擦力，促進(jìn)密實化堆垛和高定向排列；這一過程同時將水分子限制于二維納米片形成的限域空間內(nèi)，導(dǎo)致水分子脫附并快速逃逸出材料，其產(chǎn)生的毛細(xì)作用力拉近納米片間的距離，誘導(dǎo)范德華作用的形成。
該工作提出了采用二維納米材料為構(gòu)筑單元組裝傳統(tǒng)塊體材料的研究思想，為范德華塊體材料的高效、低能耗、高質(zhì)量制備及多組分設(shè)計提供了全新方案，這也是納米材料尤其是二維材料賦能傳統(tǒng)材料加工的有力實驗及科學(xué)證據(jù)。
成會明院士、蘇陽副教授為論文通訊作者，清華大學(xué)深圳國際研究生院博士后朱九一博士（現(xiàn)為中國科學(xué)院過程工程研究所副研究員）、清華大學(xué)深圳國際研究生院2020級博士生李飛和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系博士研究生侯遠(yuǎn)震為共同第一作者。清華大學(xué)深圳國際研究生院為該研究第一單位。論文的其他重要合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳恒安教授、王奉超教授、中國科學(xué)院金屬研究所杜金紅研究員等。該研究得到了科技部、國家基金委、深圳市科創(chuàng)委等的支持。
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