萊斯大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，碳納米管增強(qiáng)的抗碎裂的“鋼筋石墨烯”比原始石墨烯堅(jiān)韌兩倍。

石墨烯是一種原子厚度的碳片。在二維尺度上，這種材料比鋼更強(qiáng)，但由于石墨烯很薄，它仍然會(huì)被撕裂和撕裂。

“鋼筋石墨烯”是混凝土中鋼筋的納米級(jí)類似物，嵌入式“鋼筋”增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和耐久性。由化學(xué)家JamesTour于2014年開發(fā)的“鋼筋石墨烯”使用碳納米管進(jìn)行增強(qiáng)。

在美國化學(xué)學(xué)會(huì)雜志ACSNano（《通過整合碳納米管增韌石墨烯》）的一項(xiàng)新研究中，萊斯大學(xué)材料科學(xué)家JunLou及合作者通過壓力測試的“鋼筋石墨烯”，發(fā)現(xiàn)納米管鋼筋可以轉(zhuǎn)移和橋接石墨烯中裂縫，否則裂縫將在未增強(qiáng)的石墨烯中傳播。

這種納米管有助于石墨烯保持拉伸，并減少裂紋的影響。這不僅對靈活的電子產(chǎn)品有用，而且對電活性可穿戴設(shè)備或其他需要耐壓、靈活性、透明性和機(jī)械穩(wěn)定性的設(shè)備也很有用。實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械測試和布朗大學(xué)(BrownUniversity)的分子動(dòng)力學(xué)模擬都揭示了這種材料的韌性。

研究人員介紹，石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性使其成為器件的有力候選者，但其脆性本身就是一個(gè)缺點(diǎn)。兩年前，實(shí)驗(yàn)室報(bào)告表明，原始石墨烯的強(qiáng)度“遠(yuǎn)低于其報(bào)告的內(nèi)在強(qiáng)度”。在后來的一項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，研究人員感興趣的另一種二維材料二硒化鉬也很脆弱。

圖像描繪了萊斯大學(xué)材料科學(xué)家在電子顯微鏡下測試后的“鋼筋石墨烯”樣品。它顯示了裂縫如何以鋸齒形方式傳

該團(tuán)隊(duì)對“鋼筋石墨烯”進(jìn)行了類似的測試，通過將單壁納米管旋涂到銅基板上并通過化學(xué)氣相沉積在其表面生長石墨烯。

為了對“鋼筋石墨烯”進(jìn)行壓力測試，研究人員把它拉成碎片并測量施加的力。通過反復(fù)試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種方法，可以切割材料的微小部分，并將其安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，以便與掃描電子和透射電子顯微鏡一起使用。

實(shí)驗(yàn)中，“鋼筋”沒有保持石墨烯不會(huì)受到最終的破壞，但是納米管通過迫使裂紋在擴(kuò)散過程中的彎曲和凹凸不平而減緩了這一過程。當(dāng)力太弱而不能完全破壞石墨烯時(shí)，納米管有效地橋接裂紋，在某些情況下保持了材料的導(dǎo)電性。

在早期的測試中，該實(shí)驗(yàn)室顯示石墨烯的天然斷裂韌性為4兆帕斯卡。相比之下，“鋼筋石墨烯的”平均韌性為10.7兆帕斯卡。研究人員認(rèn)為：“這些模擬非常重要，因?yàn)樗鼈冏屛覀兡軌蛟跁r(shí)間尺度上看到我們使用顯微鏡技術(shù)無法獲得的過程。“鋼筋石墨烯”的結(jié)果是許多新材料表征的第一步。我們希望這開啟了人們可以為應(yīng)用設(shè)計(jì)2D材料特征的方向。”