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設(shè)計(jì)師使石墨烯復(fù)合材料的強(qiáng)度和韌性相結(jié)合
就輕質(zhì)材料的高強(qiáng)度和韌性來講，石墨烯可能算得上。但是，對(duì)最需求這些性能的利用，如航空航天、自動(dòng)化、基礎(chǔ)設(shè)施和交通運(yùn)輸，使用石墨烯依然是太貴和不切實(shí)際的。現(xiàn)在，由Markus Buehler的麻省理工學(xué)院的研究人員通過實(shí)驗(yàn)和摹擬來設(shè)計(jì)1種基于氧化石墨烯的復(fù)合材料，這類材料針對(duì)強(qiáng)度和韌性進(jìn)行了優(yōu)化，并展現(xiàn)了濕度如何改良這些性能。
水對(duì)層間距的影響。(a)不同含水量的GO和GO-PDA型號(hào)的快照。 為清楚起見，PDA(DHI單位)顯示為橙色，水份子以藍(lán)色顯示。(b)不同含水率GO和GO-PDA的層間距(c)GO和GO-PDA論文的掃描電子顯微鏡圖象。比例尺表示500nm。
人造材料可以是堅(jiān)固的或強(qiáng)韌的，但迄今為止，為使兩種屬性結(jié)合的嘗試仍在艱巨進(jìn)行。作為麻省理工學(xué)院Francisco Martin-Martinez團(tuán)隊(duì)的1名研究人員，告知nanotechweb.org，“氧化石墨烯(GO)可能比石墨烯更容易制造，但它的這些性能更弱。將2D GO圖紙組裝成可以覆蓋厘米而不但是微米的薄膜 - “GO紙” - 我們濟(jì)南新時(shí)期試金儀器有限公司專業(yè)生產(chǎn)：實(shí)驗(yàn)機(jī)使強(qiáng)度依然進(jìn)1步受損。
Martin-Martinez說：“這是聚多巴胺(PDA)進(jìn)入這個(gè)游戲的地方，”它描寫了聚合物如何遭到貽貝羅紋粘附性能的啟發(fā)。斟酌到在潮汐沖擊的沖擊下，固執(zhí)的貽貝如何與巖石和其他海岸建筑結(jié)合，很容易看出為何這些軟體動(dòng)物的粘合強(qiáng)度可能會(huì)刺激了團(tuán)隊(duì)理念。
Martin-Martinez補(bǔ)充說：“另外，我們也遭到珍珠層(珍珠母)的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，其類似于磚和沙漿的配置，具有出色的機(jī)械性能。” “因此，由從自然系統(tǒng)中取得的大量靈感，我們?cè)O(shè)計(jì)了1個(gè)珍珠母啟發(fā)式GO-(貽貝靈感)PDA納米復(fù)合材料，其確切具有比原始的GO薄膜更好的機(jī)械性能。”
雖然其他組織已研究了PDA復(fù)合材料，但之前的工作已被限于實(shí)驗(yàn)。正如報(bào)告的第1作者陳俊德所指出的那樣，對(duì)PDA的聚合機(jī)理和PDA與GO之間的化學(xué)反應(yīng)的聚合機(jī)理已取代了之前的系統(tǒng)建模嘗試。麻省理工學(xué)院的研究人員能夠圍繞這1點(diǎn)創(chuàng)建份子模型，然后從實(shí)驗(yàn)和材料表征反饋到模型中。
Martin-Martinez說：“這代表了1種*的預(yù)測工具，這通過減少將原子設(shè)計(jì)納入太陽光一樣可以驅(qū)動(dòng)這類石墨烯材料移動(dòng)制造成功研發(fā)出圓珠筆頭球座體所用的超易切削不銹鋼進(jìn)程所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)使材料的生產(chǎn)更有效力。
從模型到粘合機(jī)理
研究人員肯定了5,6-2羥基吲哚(DHI)的反應(yīng)活性的位置，且PDA從GO和多巴胺的溶液中自聚合或與GO反應(yīng)時(shí)在這里構(gòu)成共價(jià)鍵。然后他們使用PDA的基本建塊簡化了該聚合進(jìn)程根據(jù)自己公司需要實(shí)驗(yàn)的物品性質(zhì)進(jìn)行選型的模型。
通過將不同濃度的水引入到他們的模型，研究人員可以肯定濕度對(duì)GO層和層間間距之間氫鍵相互作用的影響。他們還肯定了由于片材上的應(yīng)力不均勻致使的GO-PDA納米復(fù)合材料的濕度驅(qū)動(dòng)收縮機(jī)理。他們研究了使用這些模型相鄰層被拉向相反方向的納米復(fù)合材料的強(qiáng)度，與GO相比，GO-PDA納米復(fù)合材料具有優(yōu)良的韌性和隨濕度增加而增加的強(qiáng)度。
結(jié)果與之前的假定對(duì)照，這表明這些復(fù)合材料的強(qiáng)度主要源于共價(jià)交聯(lián)。 Buehler及其團(tuán)隊(duì)使用的模型不包括這些共價(jià)交聯(lián)，而GO-PDA在摹擬中的粘合強(qiáng)度依然超過GO，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了較好的比較，表明共價(jià)交聯(lián)對(duì)材料的機(jī)械強(qiáng)度造成了可疏忽的影響。
“自下而上的設(shè)計(jì)”未來潛力
研究人員承認(rèn)模型中的某些限制，但依然對(duì)基于摹擬和實(shí)驗(yàn)的“自下而上設(shè)計(jì)”方法的廣泛利用充滿信心。陳說“從摹擬進(jìn)程中，即便我們?cè)谀M中沒法取得實(shí)際的強(qiáng)度和摹擬的韌性，我們?nèi)钥梢灾滥囊环N材料設(shè)計(jì)產(chǎn)生更高的機(jī)械性能”。就像在GO-PDA中1樣，可能還有許多其他材料的濕度在機(jī)械性能方面濕度起著相當(dāng)重要的作用。
沒有參與麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)最近的工作，但是在*的德克薩斯大學(xué)的研究也專注于石墨烯復(fù)合材料的Rodney Ruoff說“作者報(bào)告說，與其他珍珠母摹擬物相比，這類材料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，而且他們的模型未來可能會(huì)有改進(jìn)，”，“如果看到能夠在未來可以實(shí)現(xiàn)由濕度折疊控制的自折疊結(jié)構(gòu)將是非常有趣的。”
未來的工作將重點(diǎn)是改進(jìn)PDA的模式，探索其他生物啟發(fā)材料，繼續(xù)展開更現(xiàn)實(shí)的模型，和其合成策略來改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方面。
關(guān)鍵詞：掃描電子顯微鏡
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