成果简介
在碳同素异形体中，各种 sp2 纳米碳结构单元的界面工程在设计和制造具有新颖结构和功能特性的创造性纳米碳组件方面显示出巨大的前景。本文， 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 康黎星 研究员、李清文 研究员、北京大学 张锦教授在《Adv. Funct. Mater》期刊发表名为“Robust and Versatile Heterostructured Carbon Nanocomposites with Diverse Adaptability to Harsh Environments”的论文，研究展示了一种由非晶石墨烯纳米片（AGNs）在碳纳米管（CNT）网络薄膜上形成的坚固、柔韧、类似金属的异质结构碳纳米管（CNT）薄膜，呈现出以 sp3-sp2 为主导的界面异质结构。
广泛的表征显示，AGN 完全没有长程周期性，具有扭曲的六元环。这种二维石墨烯与一维碳纳米管的结构赋予了异质结构碳纳米复合薄膜多种独特性能，包括表面纳米扁平化（平整度是原始碳纳米管薄膜的四倍）、优异的抗磨损性能、大幅提高的模量（提高 400%）、硬度（提高 300 倍）和导电性（提高 270%）。与传统的碳基材料不同，这种柔性薄膜在较宽的温度范围内（-196-≈1300 °C）表现出明显的可变形性和快速回弹性，有助于设计新概念的轻质耐高温和可变形材料，用于极端条件下的先进航空航天应用。
图文导读
图1、设计具有独特性能的异质结构碳纳米复合薄膜。
图2、A）0分钟，B）5分钟和C）20分钟AGN沉积的样品的TEM图像。D） 图2C的黄色方块突出显示了所选区域中的HRTEM图像和相应的FFT模式。E） AGN的STM图像。F） 20 分钟 AGN 沉积的异质结构薄膜的横截面图像。G） 图 2F 中点 1 和点 2 的相应背景减去电子能量损失谱 （EELS） 数据。H） 不同沉积时间的异质结构薄膜的XPS光谱。I） 异质结构薄膜生长过程的分子动力学 （MD） 建模（俯视图）。
图3、异质结构碳纳米复合薄膜的机械性能
图4、折叠成各种复杂形状的异质结构碳纳米复合薄膜的照片
小结
本研究首次成功采用无催化剂直接CVD方法合成了无序异质结构碳纳米复合薄膜。已经证明，包覆的AGNs是一种典型的高度无序的类石墨烯结构，显示出sp2-基于微观尺度的长程无序和短程有序特征的结构。AGNs沉积在软质CNT薄膜上，具有明显的增强效果，使薄膜更坚固（强度提高176%）、更硬（模量提高400%）、更硬（线束增强300倍）、化学和热稳定性更高。制备的分层薄膜在极端条件下表现出出色的耐受性和有趣的形状可变形性能。目前，研究仅限于实验室的小规模制备。如果能够实现规模化准备，多功能应用前景将得到更好的实现。因此，所提出的异质结构碳纳米复合薄膜被证明具有用于下一代轻质、耐高温和弹性导向的形状转换材料的前景，适用于先进的航空航天应用。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202406550
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