IT之家 5 月 7 日消息，二維材料（2D material）是一種比紙還薄的物質(zhì)，但它們具有驚人的力學(xué)性能，被認(rèn)為是地球上最堅固的材料之一。然而，要把這些材料堆疊起來使用，卻是一件非常困難的事情。因為當(dāng)這些材料疊加在一起時，它們之間的相互作用很弱，導(dǎo)致它們的力學(xué)性能大打折扣，限制了它們的實際應(yīng)用。
現(xiàn)在，美國的科學(xué)家們找到了突破這一障礙的方法。他們通過微調(diào)二維聚合物 —— 共價有機框架（COFs）的分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出一種輕盈而強韌的新型材料，即使疊加多層，也能保持其二維特性。
“這是一個非常令人興奮的起點。”來自萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程系的教授 Jun Lou 說，他領(lǐng)導(dǎo)了萊斯大學(xué)的研究團(tuán)隊。
研究人員利用分子水平的模擬，研究了不同的官能團(tuán) —— 即分子元素的排列方式，并設(shè)計了兩種結(jié)構(gòu)略有差異的 COFs。然后，他們研究了這些 COFs 在疊加成多層時的行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微小的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了截然不同的結(jié)果。
第一種 COF，像大多數(shù)二維材料一樣，只顯示出很弱的層間相互作用，隨著層數(shù)增加，其強度和彈性都消失了。而第二種 COF 卻不同，“它表現(xiàn)出強烈的層間相互作用，并且即使增加多層，也保持了良好的力學(xué)性能?！痹撜撐牡墓餐谝蛔髡?、萊斯大學(xué)博士生 Qiyi Fang 說。
據(jù)研究人員推測，這種現(xiàn)象很可能是由于氫鍵作用。“我們從模擬中發(fā)現(xiàn)，在第二種 COF 中，由于其特殊官能團(tuán)之間顯著增強了氫鍵作用，導(dǎo)致了強大的層間相互作用?！痹撜撐牡牧硪晃还餐谝蛔髡?、馬里蘭大學(xué)機械工程系博士后研究員 Zhengqian Pang 說。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊制造出了一種輕盈而強韌的新型材料，它不僅比鋼鐵堅固幾倍，而且即使疊加多層，也能保持其二維特性。這種材料有許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。
“COFs 可以制成優(yōu)秀的過濾膜?！比R斯大學(xué)的 Lou 說，“對于一個過濾系統(tǒng)來說，在孔隙處的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)非常重要。當(dāng)你有污水通過 COF 膜時，孔隙處的官能團(tuán)會捕獲雜質(zhì)，只讓所需的分子通過。在這個過程中，膜的力學(xué)完整性非常重要。現(xiàn)在我們有了一種方法，可以設(shè)計非常強韌、抗斷裂的多層二維聚合物，它們可以是非常好的過濾膜候選材料?！?/p>
“另一個潛在的應(yīng)用是提升電池性能：用硅代替石墨作為陽極，可以大大增加當(dāng)前鋰離子電池技術(shù)的儲能容量?！彼f。
這項研究還可能促進(jìn)一系列材料的設(shè)計，包括陶瓷和金屬。例如，陶瓷依賴于在非常高的溫度下形成的離子鍵，這就是為什么一個破碎的咖啡杯不能輕易修復(fù)。同樣，金屬也需要在高溫下鍛造。而通過研究人員探索的分子微調(diào)方法，類似的產(chǎn)品或許可以在不加熱的情況下制造和修復(fù)。
這項研究發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上，IT之家附地址。
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