研究背景

范德华块体材料，如六方氮化硼和石墨，在导热和高温结构材料等领域有重要应用，这类范德华块体材料通常需要在高于1000°C的高温下烧结制备、能耗巨大。这主要是因为它们的层状结构特性——层内通过共价键紧密连接，而层间仅通过较弱的范德华作用结合。传统生产方式通常采取高温烧结以促进缓慢的粒间扩散过程，进而将粒子紧密结合成块状形态。然而，烧结所需的高温以及烧结助剂可能会对最终产品的物理性能造成负面影响。目前，如何低成本低能耗地制造高性能范德华块体材料存在巨大挑战。

研究简介

近期，中国科学技术大学计算力学实验室与清华大学深圳国际研究生院苏阳、中国科学院深圳先进技术研究院/金属研究所成会明团队深入合作，结合理论模拟和实验表征，揭示了界面水分子在范德华材料制备过程中的关键作用机制，发现了对二维纳米片进行加压密实化组装可以在近室温条件下（室温至60 °C）“自下而上”地制备范德华材料，将制备该类材料的能耗降低了至少一个数量级。相关成果以“Near-room-temperature water-mediated densification of bulk van der Waals materials from their nanosheets”为题发表于国际顶级学术期刊《Nature Materials》。

合作研究团队从范德华材料的结构特性出发，该类材料的构筑单元之间主要以范德华力结合，只要这些构筑单元之间存在纳米及亚纳米尺度接触，就可以激活范德华作用，实现无需高温烧结的范德华块体材料制备。为了验证这一想法，合作团队在近室温条件下压制了石墨烯、六方氮化硼、MXene、金属硫化物等二维纳米片，成功制备了一系列高密实化、高机械强度、纳米片高度定向组装的范德华块体材料。同时，受益于温和的制备工艺，该方法可用于大规模、快速制备范德华块体材料，并可应用于范德华材料的修复、表面压印等传统烧结法难以实现的应用。

分子动力学（MD）模拟和实验表征揭示了近室温组装范德华块体材料的关键机制，即纳米片表面吸附水分子对范德华界面力学行为的调控作用。在组装过程初期，水分子通过降低界面剪切强度和平缓界面滑移势垒，显著降低了纳米片滑移和定向排列过程中的摩擦阻力，促进密实化堆垛和高定向排列。这一过程同时将水分子约束于二维纳米片形成的限域空间内，毛细管限域作用促使界面水的蒸发率比体相水高出 1-2 个数量级，导致水分子脱附并快速逃逸出材料，其产生的毛细作用力拉近纳米片间距离，诱导范德华作用的形成。在此过程中，水分子与纳米片内壁发生碰撞，产生垂直于纳米片的限域压力，MD模拟和SEM表征说明较高温度（100°C以上）显著提高的限域压力诱导纳米片扭曲并形成微裂纹，削弱了纳米片的定向排列和力学性质。因此，适中的制备温度（室温至60 °C）可以获得最优的定向结构和机械强度。

该工作提出采用二维纳米材料为构筑单元组装传统块体材料的研究思想，为范德华块体材料的高效、低能耗、高质量制备及多组分设计提供了全新方案，这也是纳米材料尤其是二维材料赋能传统材料加工的有力实验及科学证据。