是否想用納米級(jí)建筑材料制造超強(qiáng)材料?從最高質(zhì)量的構(gòu)建塊開始，對(duì)不對(duì)?

錯(cuò)誤—至少在使用“薄片”的氧化石墨烯(GO)時(shí)。

西北大學(xué)研究人員的一項(xiàng)新研究表明，將強(qiáng)，固態(tài)的GO薄片與弱的，多孔的GO薄片混合，可以制成更好的GO“ 紙 ”。這一發(fā)現(xiàn)將有助于生產(chǎn)更高質(zhì)量的GO材料，并闡明了材料工程中的一個(gè)普遍問題：如何將納米級(jí)材料構(gòu)建為宏觀材料而又不喪失其理想性能。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的西北工程材料科學(xué)與工程學(xué)教授黃嘉興說：“從人類的角度來說，協(xié)作非常重要。” “如果優(yōu)秀的球員不能很好地合作，他們?nèi)匀粫?huì)造成一支糟糕的球隊(duì)。在這里，我們?cè)黾恿艘恍┛此戚^弱的球員，他們使整個(gè)球隊(duì)變得更加強(qiáng)大。”

這項(xiàng)研究是四方合作。除Huang之外，麥考密克工程學(xué)院機(jī)械工程教授Horacio Espinosa領(lǐng)導(dǎo)的其他三個(gè)小組也參加了會(huì)議。西北化學(xué)教授SonBinh Nguyen;泰熙(Tae Hee Han)是該大學(xué)的前博士后研究員，現(xiàn)在是韓國漢陽大學(xué)的有機(jī)和納米工程教授。

這項(xiàng)研究今天發(fā)表在《自然通訊》上。

高科技紙

GO是石墨的衍生物，可用于制造二維超材料石墨烯。由于GO易于制造，因此科學(xué)家將其作為模型材料進(jìn)行研究。它通常以細(xì)小薄片在水中的分散形式出現(xiàn)。從一端到另一端，每個(gè)薄片都小于人類頭發(fā)的寬度，并且只有一個(gè)納米厚。

當(dāng)將GO薄片的溶液倒在過濾器上并除去水時(shí)，會(huì)形成一張薄的“紙”，通常直徑為幾英寸，厚度小于或等于40微米。分子間的力將薄片保持在一起，僅此而已。

實(shí)力來自劣勢(shì)

科學(xué)家可以在單層中制作出堅(jiān)固的GO，但將薄片分層成紙狀效果并不理想。在測(cè)試孔對(duì)GO薄片強(qiáng)度的影響時(shí)，Huang和他的合作者發(fā)現(xiàn)了一種解決方案。

研究人員使用氨水和過氧化氫的混合物，化學(xué)蝕刻了GO薄片中的孔。浸泡一到三個(gè)小時(shí)的薄片比未蝕刻的薄片要弱得多。浸泡五個(gè)小時(shí)后，薄片變得非常脆弱，無法測(cè)量。

然后，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一些令人吃驚的東西：由弱化的薄片制成的紙張比預(yù)期的要堅(jiān)固。例如，在單層水平上，一小時(shí)蝕刻的多孔薄片比固態(tài)薄片弱70%，但是由這些薄片制成的紙僅比固態(tài)薄片弱10%。

黃說，當(dāng)團(tuán)隊(duì)將固體薄片和多孔薄片混合在一起時(shí)，事情變得更加有趣。除了不削弱僅由固體薄片制成的紙張外，添加10%或25%的最弱薄片也分別使紙張強(qiáng)度提高約95%和70%。

有效連接

Huang說，如果將GO薄板比作鋁箔，那么制作GO紙就像將鋁箔堆疊成厚的鋁板一樣。如果您從大片鋁箔開始，則許多鋁箔很可能會(huì)起皺，從而阻礙了兩張鋁箔之間的緊密包裝。另一方面，較小的紙張不易起皺。它們可以很好地包裝在一起，但是會(huì)形成緊密的堆疊，這些堆疊與其他緊密的堆疊無法很好地集成在一起，從而在GO紙中形成了容易破裂的空隙。

Huang說：“薄的薄片會(huì)翹曲填充這些空隙，從而改善了整個(gè)材料中的力分布。” “這提醒人們，單個(gè)單元的強(qiáng)度只是方程式的一部分;有效的連接和應(yīng)力分布同等重要。”

Huang說，這一發(fā)現(xiàn)將直接適用于其他二維材料，例如石墨烯，也將導(dǎo)致設(shè)計(jì)更高質(zhì)量的GO產(chǎn)品。他希望接下來可以在GO光纖上對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。