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  材料中彈性應(yīng)變能的存儲和釋放及其機(jī)械強(qiáng)度在自然和工程機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)中起著重要作用，包括負(fù)責(zé)動物快速和高動力運(yùn)動的生物組織以及高性能的微/納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS / NEMS）諧振器和致動器。 許多新興技術(shù)也取決于機(jī)械能儲存和釋放的有效使用，例如替代能源系統(tǒng)和用于機(jī)器人運(yùn)動和運(yùn)動的人造肌肉。 彈性模量（R）（單位：J / m3）在塑性變形開始之前測量，表示單位體積的材料中儲存彈性應(yīng)變能的能力。 以R（R）為標(biāo)準(zhǔn)化，R（Rs）也是重要的機(jī)械設(shè)計參數(shù)，代表單位重量的彈性應(yīng)變能量儲存能力（單位：（J / m3）/（kg/m3）= J /kg）。為了在線性彈性固體中獲得增強(qiáng)的R，需要材料中的高屈服強(qiáng)度（σy）和低楊氏模量（E），但是工程這樣的σy -E組合很難做到，因為兩種性質(zhì)通常一起增強(qiáng)。

  近期，來自康涅狄格大學(xué)的Chang-Yong Nam和Keith J. Dusoe等人在Nano Lett. 上發(fā)表了一篇題為“Ultrahigh Elastic Strain Energy Storage in Metal-Oxide-Infiltrated Patterned Hybrid Polymer Nanocomposites”的文章。該研究克服了上述問題，并通過獨(dú)特的σy，E和ρ組合來生成帶圖案的雜化納米復(fù)合材料，通過連續(xù)滲透合成，以原子衍生的有機(jī)-無機(jī)雜交技術(shù)，實現(xiàn)超高R和高強(qiáng)度Rs層沉積（ALD）。不同于典型的ALD工藝，其依賴于襯底上的氣態(tài)前體的自限表面反應(yīng)，滲透合成允許前體滲透到聚合物模板中以形成嵌入在有機(jī)基質(zhì)內(nèi)的無機(jī)材料。這種新型的納米復(fù)合材料已被證明可用于增強(qiáng)聚合物的各種物理、化學(xué)性能，包括機(jī)械強(qiáng)度。

圖1 合成納米復(fù)合材料SU-8納米柱的示意圖及其性能

（a）通過滲透合成制造AlOx滲透雜化納米復(fù)合材料SU-8納米柱的示意圖。

（b）AlOx滲透SU-8納米柱（假色）陣列上的原位納米力學(xué)測試尖端的SEM顯微照片，和單個納米復(fù)合SU-8納米柱（插圖）的放大圖。

（c）SU-8的代表性應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線。

（d），（e）相對于施加的AlOx滲透合成循環(huán)次數(shù)，測量SU-8納米柱的σy和E。

圖2  具有高機(jī)械彈性的特性圖

（a）修改的強(qiáng)度與E Ashby圖。

（b）對于300 nm直徑的SU-8納米柱（實心正方形），計算的R相對于所施加的AlOx滲透合成循環(huán)次數(shù)。

圖3  SU-8薄膜的顯微照片

（a）在16次AlOx滲透合成循環(huán)之后交聯(lián)的SU-8薄膜的橫截面明場TEM顯微照片，右圖顯示AlKαEDXS線掃描剖面。

（b）SU-8薄膜的AlOx滲入部分的高分辨率明場TEM顯微照片，右上方顯示非晶致密層的放大圖。

（c）通過原位QCM測量獲得的相對于AlOx滲透合成循環(huán)次數(shù)的質(zhì)量增益特性。

圖4  AlOx滲透SU-8納米柱的力學(xué)性能

（a）在三種不同位移速率下，16個循環(huán)的AlOx滲透的SU-8納米柱測量的壓縮應(yīng)變 - 應(yīng)力曲線。

（b）在16次循環(huán)的AlOx滲透的SU-8納米柱的壓縮應(yīng)變和卸載期間原位獲得的時間消逝的視頻幀。

（c）SU-8納米柱在循環(huán)彈性加載/卸載實驗期間，測量的應(yīng)變/應(yīng)力與時間數(shù)據(jù)。

圖5 復(fù)合材料的楊氏模量

在AlOx滲透的SU-8納米柱中，復(fù)合材料的楊氏模量與AlOx簇填料的體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)關(guān)系圖以及它們與Halpin-Tsai和Hashin-Shtrikman模型的比較。

圖6 復(fù)合材料的內(nèi)部構(gòu)造及高彈性機(jī)理

在沒有機(jī)械應(yīng)力（左），壓縮彈性應(yīng)力（中）和恢復(fù)形變的情況下，（a）未滲透的交聯(lián)SU-8和（b）AlOx滲透的SU-8聚合物基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意圖。

  研究人員提出了新型的有機(jī)-無機(jī)雜化納米復(fù)合材料，通過氣相滲透分子尺度的AlOx填料進(jìn)入平版印刷的SU-8聚合物模板。原位納米力學(xué)測試表明，這種材料已經(jīng)實現(xiàn)了金屬樣高σy（> 500 MPa）和泡沫樣低E（<10 GPa），這是已知的工程材料中獨(dú)特的配合，并導(dǎo)致其中一種最高的彈性儲能釋放能力與高強(qiáng)度相結(jié)合，比典型工程高出約4個數(shù)量級合金。 此外，以傳統(tǒng)半導(dǎo)體加工（即ALD）和多功能光刻圖案性的可擴(kuò)展實施為特征，所開發(fā)的聚合物納米復(fù)合材料打開了新的納米機(jī)械應(yīng)用，尤其在可調(diào)超高機(jī)械彈性方面。

  論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.7b03238