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至设计师使石墨烯复合材料的强度和韧性相结合

发布时间:2021-09-20

设计师使石墨烯复合材料的强度和韧性相结合

就轻质材料的高强度和韧性来讲,石墨烯可能算得上王牌。但是,对最需求这些性能的利用,如航空航天、自动化、基础设施和交通运输,使用石墨烯依然是太贵和不切实际的。现在,由Markus Buehler领导的麻省理工学院的研究人员通过实验和摹拟来设计1种基于氧化石墨烯的复合材料,这类材料针对强度和韧性进行了优化,并展现了湿度如何改良这些性能。

至设计师使石墨烯复合材料的强度和韧性相结合

水对层间距的影响。(a)不同含水量的GO和GO-PDA型号的快照。 为清楚起见,PDA(DHI单位)显示为橙色,水份子以蓝色显示。(b)不同含水率GO和GO-PDA的层间距(c)GO和GO-PDA论文的扫描电子显微镜图象。比例尺表示500nm。

人造材料可以是坚固的或强韧的,但迄今为止,为使两种属性结合的尝试仍在艰巨进行。作为麻省理工学院Francisco Martin-Martinez团队的1名研究人员,告知nanotechweb.org,“氧化石墨烯(GO)可能比石墨烯更容易制造,但它的这些性能更弱。将2D GO图纸组装成可以覆盖厘米而不但是微米的薄膜 - “GO纸” - 我们济南新时期试金仪器有限公司专业生产:万能实验机使强度依然进1步受损。

Martin-Martinez说:“这是聚多巴胺(PDA)进入这个游戏的地方,”它描写了聚合物如何遭到贻贝罗纹粘附性能的启发。斟酌到在潮汐冲击的冲击下,固执的贻贝如何与岩石和其他海岸建筑结合,很容易看出为何这些软体动物的粘合强度可能会刺激了团队理念。

Martin-Martinez补充说:“另外,我们也遭到珍珠层(珍珠母)的结构的启发,其类似于砖和沙浆的配置,具有出色的机械性能。” “因此,由从自然系统中取得的大量灵感,我们设计了1个珍珠母启发式GO-(贻贝灵感)PDA纳米复合材料,其确切具有比原始的GO薄膜更好的机械性能。”

虽然其他组织已研究了PDA复合材料,但之前的工作已被限于实验。正如报告的第1作者陈俊德所指出的那样,对PDA的聚合机理和PDA与GO之间的化学反应的聚合机理已取代了之前的系统建模尝试。麻省理工学院的研究人员能够围绕这1点创建份子模型,然后从实验和材料表征反馈到模型中。

Martin-Martinez说:“这代表了1种先进的预测工具,这通过减少将原子设计纳入太阳光一样可以驱动这类石墨烯材料移动制造成功研发出圆珠笔头球座体所用的超易切削不锈钢进程所需的实验次数使材料的生产更有效力。

从模型到粘合机理

研究人员肯定了5,6-2羟基吲哚(DHI)的最具反应活性的位置,且PDA从GO和多巴胺的溶液中自聚合或与GO反应时在这里构成共价键。然后他们使用PDA的基本建块简化了该聚合进程根据自己公司需要实验的物品性质进行选型的模型。

通过将不同浓度的水引入到他们的模型,研究人员可以肯定湿度对GO层和层间间距之间氢键相互作用的影响。他们还肯定了由于片材上的应力不均匀致使的GO-PDA纳米复合材料的湿度驱动收缩机理。他们研究了使用这些模型相邻层被拉向相反方向的纳米复合材料的强度,与GO相比,GO-PDA纳米复合材料具有优良的韧性和随湿度增加而增加的强度。

结果与之前的假定对照,这表明这些复合材料的强度主要源于共价交联。 Buehler及其团队使用的模型不包括这些共价交联,而GO-PDA在摹拟中的粘合强度依然超过GO,通过实验进行了较好的比较,表明共价交联对材料的机械强度造成了可疏忽的影响。

“自下而上的设计”未来潜力

研究人员承认模型中的某些限制,但依然对基于摹拟和实验的“自下而上设计”方法的广泛利用充满信心。陈说“从摹拟进程中,即便我们在摹拟中没法取得实际的强度和摹拟的韧性,我们仍可以知道哪一种材料设计产生更高的机械性能”。就像在GO-PDA中1样,可能还有许多其他材料的湿度在机械性能方面湿度起着相当重要的作用。

没有参与麻省理工学院团队最近的工作,但是在奥斯汀的德克萨斯大学的研究也专注于石墨烯复合材料的Rodney Ruoff说“作者报告说,与其他珍珠母摹拟物相比,这类材料具有更高的机械强度和韧性,而且他们的模型未来可能会有改进,”,“如果看到能够在未来可以实现由湿度折叠控制的自折叠结构将是非常有趣的。”

未来的工作将重点是改进PDA的模式,探索其他生物启发材料,继续展开更现实的模型,和其合成策略来改进实验方面。