2019-08-18 12:06:01
用较弱的单元制成的更强的氧化石墨烯纸

想从纳米级构建块制作超强材料吗?从最高质量的构建块开始吧?

错误 - 至少在使用氧化石墨烯(GO)的“薄片”时。

西北大学研究人员的一项新研究表明,通过将坚固的GO薄片与弱的多孔GO薄片混合,可以制成更好的GO“纸”。这一发现将有助于生产更高质量的GO材料,并且它揭示了材料工程中的一般问题:如何将纳米级材料制成宏观材料而不会失去其理想的性能。

“以人为本,合作非常重要,”负责这项研究的西北工程材料科学与工程教授黄嘉兴说。 “优秀的球员如果不能很好地合作,他们仍然会成为一支糟糕的球队。在这里,我们会增加一些看似较弱的球员,他们会加强整个球队。”

这项研究是一次四方合作。除了黄氏之外,其他三个团体参加了由麦考密克工程学院机械工程教授Horacio Espinosa领导的工作。 SonBinh Nguyen,西北大学化学教授;和Tae Hee Han,他是该大学的前博士后研究员,现在是韩国汉阳大学的有机和纳米工程教授。

该研究于今天在Nature Communications上发表。

高科技论文

GO是石墨的衍生物,可用于制造二维超材料石墨烯。由于GO更容易制作,科学家们将其作为模型材料进行研究。它通常是微小片状物在水中的分散体。从一端到另一端,每个薄片小于人类头发的宽度并且仅一个纳米厚。

当将GO薄片溶液倒在过滤器上并除去水时,形成薄的“纸”,通常直径为几英寸,厚度小于或等于40微米。分子间力将薄片保持在一起,仅此而已。

来自弱点的力量

科学家可以在单层制作强力GO,但将薄片分层成纸状并不能很好地工作。在测试孔对GO薄片强度的影响时,Huang和他的合作者发现了一种解决方案。

研究人员使用氨和过氧化氢的混合物对GO薄片中的孔进行化学“蚀刻”。浸泡一至三小时的薄片比未蚀刻的薄片明显弱。浸泡5小时后,薄片变得很脆弱,无法测量。

然后,该团队发现了一些令人惊讶的事情:用薄弱的薄片制成的纸张比预期的要强。例如,在单层水平上,一小时蚀刻的多孔薄片比固体薄片弱70%,但由这些薄片制成的纸仅比由固体薄片制成的纸弱10%。

黄说,当团队将固体和多孔片混合在一起时,事情变得更加有趣。而不是削弱仅由固体薄片制成的纸张,添加10%或25%的最弱薄片分别使其增强了约95%和70%。

有效连接

如果将GO纸张比作铝箔,Huang说,制作GO纸就像堆叠箔片制作厚铝板一样。如果你从大的铝箔开始,很可能很多人会起皱,阻碍了床单之间的紧密包装。另一方面,较小的片材不容易起皱。它们很好地捆在一起但是会产生紧密的堆叠,这些堆叠与其他紧密的堆叠不能很好地结合,在GO纸中产生空隙,容易破碎。

“弱片会变形以填补这些空隙,从而改善整个材料的力分布,”Huang说。 “这提醒人们,个别单位的力量只是等式的一部分;有效的联系和压力分布同样重要。”

Huang说,这一发现将直接适用于其他二维材料,如石墨烯,并将导致更高质量的GO产品的设计。他希望接下来在GO光纤上进行测试。

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