- 3 次围观
在工程化材料中调控热传输，为重新定向并回收电子器件和能量转换器件中产生的多余热量创造了机会。兼具低面外热导率和高面内热导率的材料尤为重要，因为它们能够限制热量扩散并将其从敏感区域导出，从而防止器件局部失效。二维晶体是构筑此类各向异性导热体的高效基础单元，但其本身较为脆性，而用于增强其韧性的聚合物复合材料通常会牺牲其大量固有各向异性：在传统基于渗流的设计中，填料含量是唯一可调控参数，而它同时决定面内和面外导热。 在此，我们报道了一种由 Ti3C2Tx（MXene）纳米片与受乌贼环齿（SRT）启发的重组串联重复（TR）蛋白构成的复合材料，其中蛋白质作为分子模板和桥梁，通过串联重复单元的数量以埃级精度设定纳米片之间的间距，且这一过程独立于填料含量。该结构调控手段提供了第二个独立的设计参数。在固定 MXene 载量下，重复单元数可调控面外热导率（0.30 至 0.93 W/mK），并由此在较宽范围内调节热各向异性比（约从 70 降至 17），同时面内热导率保持较高水平（16 至 21 W/mK）。我们利用嵌入双相层状介质中的蛋白质高斯网络模型（GNM）对这些趋势进行了理论解释；该模型仅凭单一结构参数即可重现测得的方向性热导率，并指出蛋白质层间廊道是面外传热的瓶颈。 将该模型扩展至一个承受机械载荷的五周期堆叠结构后，我们发现热各向异性对可逆压缩和扭转具有稳健性，其变化仅为百分之几，因此主导设计的关键参数是串联重复单元数，而非外加应变。由于热各向异性的调控是通过结构而非体积分数实现的，这类蛋白质-MXene 复合材料将热各向异性与填料含量解耦，为突破混合规则和渗流规律约束的柔性热管理材料指明了方向。
在工程化材料中调控热传输，为重新定向并回收电子器件和能量转换器件中产生的多余热量提供了机遇。兼具低面外热导率与高面内热导率的材料尤为重要，因为它们能够限制热量扩散，并将热量从敏感区域导出，从而防止器件局部失效。二维晶体是构建此类各向异性热导体的高效基本单元，但它们本身较为脆弱，而用于提高其韧性的聚合物复合材料通常会牺牲其大部分内禀各向异性：在传统的基于渗流的设计中，填料分数是唯一可调控参数，而它同时支配面内和面外导热。
本文报道了一种由 Ti3C2Tx（MXene）纳米片与受乌贼环齿（SRT）启发的重组串联重复（TR）蛋白构成的复合材料，其中蛋白质作为分子模板和桥梁，通过串联重复单元的数目以埃级精度设定纳米片之间的间距，且该调控独立于填料分数。这一结构调控手段提供了第二个独立的设计参数。在固定 MXene 负载量下，重复单元数可调控面外热导率（0.30 至 0.93 W/mK），并据此在宽范围内调节热各向异性比（约从 70 降至 17），同时面内热导率保持较高水平（16 至 21 W/mK）。我们利用嵌入双相层状介质中的蛋白质高斯网络模型（GNM）对这些趋势进行了阐释，该模型仅凭一个结构参数便可重现实测的方向性热导率，并确定蛋白质层间廊道是面外传热的瓶颈。将该模型扩展至一个受机械载荷作用的五周期堆叠结构后，我们发现，各向异性对可逆压缩和扭转具有稳健性，其变化仅为几个百分点，因此主导设计的关键调控手段是串联重复数目，而非外加应变。由于各向异性的调节是通过结构而非体积分数实现的，这类蛋白质-MXene 复合材料将热各向异性与填料含量解耦，为开发不受混合规律和渗流规律约束的柔性热管理材料指明了方向。
作者已提交或持有待审专利申请
感谢您有意帮助传播 bioRxiv 的内容。
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.10.737764v1?rss=1
🏷️ MXene复合材料 蛋白质模板 热各向异性 热导率调控 层状纳米材料