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在纳米复合材料研究中，为探究伦敦色散力（London dispersion forces）与空间位阻效应（steric effects）对分子相互作用及结构的影响，研究人员以芳香族聚酰亚胺（PI）和碳纳米管（CNT）为对象。结果发现二者相互作用影响 PI 链构象和复合材料性能。该研究为纳米复合材料设计提供理论依据。
在神奇的纳米世界里，分子间的相互作用如同看不见的 “魔法之手”，操控着纳米结构的几何形状与稳定性。伦敦色散力和空间位阻效应这两种力量，一个像温柔的引力，另一个似倔强的斥力，它们之间的相互作用在许多领域都至关重要，尤其是在纳米复合材料的研究中。然而，以往人们对这两种力在具有离域电子的混合纳米结构中的协同作用了解甚少，对于分子间相互作用能的探索也有待深入。在这样的背景下，为了揭开这层神秘的面纱，辽宁石油化工大学等机构的研究人员踏上了探索之旅。
研究人员选取了芳香族聚酰亚胺（PI，一种具有优异性能的高分子材料）和碳纳米管（CNT，拥有独特的电学、力学和热学性能）作为构建纳米结构的基石 。他们选用了两种 PI，分别是含有醚键（C - O - C）的 OPI 和含有 C - (CF3)2键的 FPI，这两种 PI 仅在二酐部分两个苯环间的连接取代基不同。研究人员通过构建 CNT/PI 纳米复合材料体系，深入探究了伦敦色散力与空间位阻效应之间的相互作用，以及这种相互作用对复合材料性能的影响。
此项研究成果意义非凡，它发表在《Communications Chemistry》上，为纳米复合材料的设计和优化提供了关键的理论支撑。在实际应用中，这些理论可以帮助科学家们更精准地调控材料的性能，开发出性能更优异的纳米复合材料，有望推动微电子产品和先进航空航天器等领域的发展。
研究人员在探索过程中，运用了多种技术方法。实验方面，他们通过扫描电子显微镜（SEM）观察纳米复合材料的断裂表面形态，利用应力 - 应变曲线测试材料的力学性能，以此来分析材料在受力时的变形和断裂行为。计算方面，借助量子化学计算和分子动力学（MD）模拟，研究人员得以从分子层面深入研究 PI 与 CNT 之间的相互作用能、PI 单体的构象以及 PI 链在 CNT 表面的优选构象。
下面我们来详细看看研究的结果：
- 实验结果：对 CNT/OPI 和 CNT/FPI 纳米复合材料薄膜进行力学测试，结果显示 CNT/OPI 纳米复合材料在各项性能上表现更优。比如，CNT/OPI 和 CNT/FPI 纳米复合材料薄膜的比断裂韧性值分别为 75.3 MJ m-3和 18.8 MJ m-3 ，断裂伸长率分别为 38% 和 15%。通过 SEM 观察发现，CNT/FPI 复合材料断裂表面光滑，有 CNT 被拔出的痕迹，表明其组分间相互作用弱；而 CNT/OPI 复合材料断裂表面有明显的塑性流动痕迹，说明 PI 分子与 CNT 之间的粘附力强，应力能有效传递。
- 量子化学计算结果：计算 PI 单体与 CNT 片层的相互作用能发现，OPI 单体与 CNT 的相互作用能更强，范围在 - 46.64 至 - 45.51 kcal mol-1，而 FPI 单体的相互作用能范围是 - 42.31 至 - 38.45 kcal mol-1。对 PI 单体片段与 CNT 片层相互作用的能量分解分析表明，色散相互作用是总相互作用能的主要贡献者。
- 分子动力学模拟结果：MD 模拟显示，OPI 的 10 - 单体链在 CNT 表面呈螺旋缠绕构象，这种构象使得 CNT 的离域 π 电子与 PI 芳香环的 π 电子云紧密接触，界面能较高；而 FPI 的 10 - 单体链在 CNT 一侧呈波浪状构象，导致 CNT 与 PI 之间的接触松散，界面能较低。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，纳米填料与聚合物基体之间的非共价相互作用对纳米复合材料的性能起着决定性作用。在 CNT/PI 纳米复合材料中，伦敦色散力驱动 PI 链在 CNT 表面组装，而空间位阻效应则影响着 PI 链的构象。对于 OPI，其醚键取代基使得 PI 链能平行于 CNT 表面排列，形成螺旋缠绕构象，增强了相互作用能，进而提升了材料的力学性能；对于 FPI，其 C - (CF3)2基团产生的空间位阻较大，阻碍了 PI 链的平行排列，使其采取波浪状构象，降低了相互作用能，导致材料力学性能较弱。
此外，研究还发现，复合材料的失效模式与 CNT 和 PI 之间的界面相互作用能以及 PI 链构象密切相关。CNT/FPI 复合材料因界面相互作用弱，失效模式为 CNT 拔出；而 CNT/OPI 复合材料因界面相互作用强，失效时涉及 CNT 的断裂，需要消耗更多能量。
总的来说，这项研究系统地揭示了聚酰亚胺单体中特定取代基对非共价相互作用的几何结构和能量的影响。通过实验与理论计算相结合的方式，研究人员清晰地阐述了伦敦色散力与空间位阻效应之间的相互作用机制，以及这种机制如何导致不同的链构象、应力传递效率和失效模式。这一成果不仅加深了人们对纳米复合材料结构 - 性能关系的理解，更为未来高性能纳米复合材料的设计提供了重要的理论指导，为相关领域的发展开辟了新的道路。
