经过上百万年的生物演变与进化，自然界形成了大量具有完美精细结构与优越性能的生物材料。珍珠母材料是这种生物材料的代表。由于其独特的有机/无机层状复合结构，使其具有极高的强度、硬度与良好的韧性。珍珠母是由约95 vol%的文石相碳酸钙与约5 vol %的有机质（几丁质与蚕丝蛋白）组成，其超常的力学性能来源于独特的有机/无机层状结构与良好的层间力学传递作用。受此启发，大量的科学工作者希望合成具有相似结构的有机/无机杂化材料并得到实际的应用。目前制备具有珍珠母层状结构的有机/无机杂化材料的主要方法有冰模板法、逐层自组装法、生物矿化法与电沉积法等。以上这些方法都有各自的优点，但是由于工艺繁琐，在实际应用中难以大规模连续性的制备大尺寸的产品。

    近期，美国康涅狄格大学（Universityof Connecticut）化工与生物分子工程系和材料科学研究所的孙陆逸教授课题组报道了一种简单易行的方法，使大规模生产成为可能。其核心在于利用液体流动诱导取向的共组装工艺，制备具有类似珍珠母结构的仿生有机/无机杂化材料。该方法首先将聚乙烯醇（PVA）水溶液与单片分散的蒙脱土（MMT）分散液共混制备PVA/MMT混合溶液，通过浸涂的工艺将这种混合溶液涂覆于塑料薄膜，比如聚乳酸（PLA）、聚酯（PET）、双向拉伸聚丙烯（BOPP）、高密度聚乙烯（HDPE）与低密度聚乙烯（LDPE）薄膜的表面，再通过干燥、固化等过程，成功制备了一种层状结构分布均匀、层间距可控、具有超强力学、阻隔与阻燃性能的PVA/MMT杂化纳米涂层材料。不同于常见的聚合物纳米复合材料，由这种方法所制备的PVA/MMT杂化纳米涂层材料中，MMT的含量可以达到70 wt%或更高，并且MMT平行于基底的平面高度取向。基于透射电镜（TEM）对材料结构的表征结果（图1）可以看出，当MMT的含量达到50 wt% 时，MMT有高度致密并高度取向的状态。同时通过加入交联剂戊二醛使得有机高分子PVA分子链之间及PVA与MMT之间形成交联结构，提高了无机相与有机相之间力的传递。当MMT的含量为50 wt% 时，所制备样品的拉伸强度与模量分别高达315 MPa与65 GPa。其拉伸强度大大超过了航空用铝合金，模量非常接近航空用铝合金，但是密度只有1.75克/立方厘米，远低于铝合金，并且保持高度透明。

▲ 图1. PVA/MMT（50 wt%/50 wt%）杂化纳米涂层的TEM照片。

    除了具有非常优异的结构与力学性能外，因为均匀规整致密排列的MMT片层对气体的渗透有良好的阻隔作用，这种杂化纳米涂层材料同时还具有优异的阻隔性能。将其涂覆于PLA、PET、BOPP、HDPE与LDPE膜表面，可以极大的降低这些塑料薄膜对氧气与水蒸汽的渗透率。例如在PLA膜表面涂覆MMT含量为50 wt%的涂层（厚度约为620 纳米）后，对比未涂覆前，其对氧气与水蒸汽的渗透率分别从1205.0 mL/(m²•day) 与98.2 g/(m²•day)降至0.2 mL/(m²•day) 与13.1 g/(m²•day)。

    这种杂化纳米涂层材料同时还具有很好的阻燃效果，将该杂化纳米材料涂覆于PET膜与开孔聚氨酯（PU）泡沫塑料的表面，可以大大降低基体材料的可燃性（视频1与视频2）。这主要是由于PVA/MMT纳米复合涂层中MMT的排列非常致密规整，可以对热量与氧气的传递形成出色的阻隔效果，使存在于MMT层间的PVA不充分燃烧，从而造就了出色的阻燃效果。 

视频一：表面未涂覆和表面涂覆PVA/MMT杂化纳米涂层的PET薄膜的垂直燃烧过程。

视频二：表面未涂覆和表面涂覆PVA/MMT杂化纳米涂层的开孔PU泡沫塑料的水平燃烧过程。

    以上工作近期发表在《Science Advances》（2017; 3: e1701212），文章的并列第一作者为丁富传博士与刘静静同学。丁富传为美国康涅狄格大学博士后（现在福建师范大学化学与材料学院工作），刘静静为美国康涅狄格大学博士生。

    全文链接：

    http://advances.sciencemag.org/content/3/7/e1701212

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