自組裝，是指單個構筑基元通過非共價相互作用形成有序結構材料的過程。自組裝廣泛存在于自然界中，對理解生命活動、指導材料設計及推動新材料衍生具有重要作用。另外自組裝在高強度材料領域已經取得了進展，但在納米尺度上對纖維成分和微觀結構的精確組裝與控制仍然是一個巨大的挑戰。

針對上述問題，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗室陳蘇教授團隊與南京理工大學化學與化工學院肖繼軍教授合作，采用微流控紡絲誘導組裝的方法，通過氧化石墨烯（GO）、羥基功能化的氮化硼納米片（OH?BNNS）和熱塑性聚氨酯（TPU）紡絲溶液在微通道限域空間內的自組裝，再由高壓電場拉伸成絲，從而得到高強度OH?BNNS/GO/TPU復合納米纖維膜，OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的拉伸強度達到46.47 MPa, 比純TPU納米纖維膜提高了近七倍。通過微流控紡絲誘導組裝，二維納米片與熱塑性聚氨酯之間存在多重非共價相互作用導致OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的機械強度顯著提高。這種具有物理和化學作用相結合的新型紡絲技術-微流控靜電紡絲為構筑高強度的功能納米纖維提供了理論和技術支持。

此外，GO和OH?BNNS增強了納米纖維膜的穩定性和全光譜吸收率，同時引入了豐富的多級孔道結構，增強了纖維膜的水傳輸行為。實驗表明，3D花狀OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的花瓣，具有的巨大深度和獨特的形狀可提供多次內部光反射行為，水蒸發速率高達4.04 kg/m2/h。該研究成果以“Microfluidic-assisted self-assembly of two-dimensional nanosheets toward in situ generation of robust nanofiber films”為題發表在期刊Small上。南京理工大學博士研究生周靚靚為第一作者，南京理工大學肖繼軍教授，南京工業大學楊曉寧教授、陳蘇教授為通訊作者。

該課題得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發計劃、江蘇省高校優勢學科建設工程。

圖文速遞

圖1 微流控輔助自組裝過程的示意圖；a)微流控靜電紡絲技術制備高強度OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的示意圖；b) 二維納米片和TPU的相互作用示意圖。

圖2 OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜增強的機理。a) TPU、OH?BNNS、GO和OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的紅外光譜圖；b) OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜拉伸性能提高的機理圖; 不同二維納米片含量的納米纖維膜 (c-e) 對應官能團的顯微紅外圖像圖和 (f-h) 拉伸強度的對比圖。

圖3 DFT計算結果。結構模型包括: a1) OH?BNNS/GO, b1) GO和 c1) OH?BNNS；a2, b2, c2) 通過降低密度梯度等值面分析結構模型的非共價相互作用；a3, b3, c3) 通過AIM分析結構模型的分子形貌。

圖4 OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的光熱性能。a) 水蒸發示意圖；在1 kW m-2 下纖維膜的 b) 蒸發質量變化和 c) 蒸發效率；d) 多維OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的俯視圖和平行光束的簡化反射示意圖；e) 三維花形蒸發器的界面太陽能蒸發示意圖；f) 多維OH?BNNS/GO/TPU納米纖維膜的透射光譜和反射光譜，g) 比表面積，h) 蒸發速率（黑柱）和蒸發效率（紅星）；i) 三維纖維膜蒸發器的蒸發速率和蒸發效率比較；j) 三維纖維膜蒸發器的水蒸發循環性能

審核編輯 ：李倩