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Plant Cell Wall-Inspired Interfacial Bridging Enables Ultrastrong and Tough Carbon Nanotube Fibers

材料科学 韧性 碳纳米管 纳米纤维 桥接(联网) 纳米技术 极限抗拉强度 复合材料 共价键 纺纱 纳米管 聚合物 纳米复合材料 制作 机械强度 纤维 网络共价键合 表面能 氢键 变形(气象学) 自组装
作者
Xiangyang LI,Xudong Lei,Xiangzheng Jia,Muqiang Jian,Tongzhao Sun,Xinyin Yang,Junze Huang,Xiaocang Han,Haolu Lin,Yunhang Li,Jiajun Luo,Xiaoxu Zhao,Enlai Gao,Xianqian Wu,Jin Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:20 (1): 593-602
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c14235
摘要

Achieving simultaneous enhancement of strength and toughness in carbon nanotube fibers (CNTFs) remains a persistent challenge due to inefficient interfacial load transfer, low nanotube alignment, and high porosity. Herein, inspired by the hierarchical architecture and borate-mediated cross-linking of plant cell walls, we report a bioinspired interfacial bridging strategy to fabricate ultrastrong and tough CNTFs. This approach involves the sequential infusion of poly(pyridobisimidazole) (PIPD) nanofibers and chains into CNTF networks, followed by borate-induced covalent cross-linking and mechanical densification. The PIPD molecular backbone consists of alternating pyridobisimidazole and dihydroxyphenyl rings, which enable the formation of hydrogen bonding and borate-mediated covalent cross-linking network with CNTs. The resulting fibers exhibit strong intertube interactions, improved alignment, and reduced porosity. Consequently, CNTFs achieve an ultrahigh tensile strength of 8.45 ± 0.28 GPa and a high toughness of 238.42 ± 14.78 MJ·m-3, surpassing the performance of commercial high-performance fibers. Additionally, the fibers exhibit high impact resistance with a specific penetration energy of 1.26 MJ·kg-1, outperforming many state-of-the-art protective materials. Experimental characterizations combined with first-principles calculations reveal that the synergistic interplay between the highly ordered assembly and strengthened interfacial interactions enables cooperative deformation and efficient energy dissipation. This work establishes a scalable and biomimetic pathway for fabricating CNTFs with a combination of ultrahigh strength and toughness, making them promising candidates for advanced structural and protective applications.
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