Вчені розробляють легкий двовимірний матеріал, міцніший за сталь

Незважаючи на те, що вони визнані одними з найсильніших речовин на Землі, використання їх повного потенціалу виявилося складним завданням. 2D-матеріали, які є тоншими навіть за найтонший папір із шкірки цибулі, привернули значну увагу завдяки своїм чудовим механічним характеристикам. Однак ці властивості зникають, коли матеріали шарують, таким чином обмежуючи їх практичне застосування.

«Подумайте про графітний олівець», — каже Тенг Лі, професор кафедри машинобудування Університету Меріленда (UMD). «Його ядро ​​зроблено з графіту, а графіт складається з багатьох шарів графену, який, як було визнано, є найміцнішим матеріалом у світі. Але графітовий олівець зовсім не міцний — насправді графіт навіть використовують як мастило».

Тепер Лі та його співробітники з Університету Райса та Університету Х’юстона знайшли спосіб подолати цей бар’єр, ретельно налаштувавши молекулярну структуру двовимірних полімерів, відомих як ковалентні органічні каркаси (COF). Висновки детально описані в новому дослідженні, опублікованому в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Це дуже захоплююча відправна точка», — сказав професор матеріалознавства та наноінженерії Університету Райса Джун Лу, який очолював команду Райса.

Використовуючи моделювання на молекулярному рівні, дослідники вивчили різні функціональні групи, тобто розташування молекулярних елементів, а потім розробили два COF з мінімальними відмінностями в структурі. Потім вони вивчили, як COF поводяться, коли їх розкладають у шари. Виявилося, що крихітні структурні відмінності призвели до істотно різних результатів.

Перший COF, як і більшість 2D-матеріалів, продемонстрував лише слабку взаємодію між шарами, і як міцність, так і еластичність втрачали, коли додавалися нові шари. Інший COF, який «демонструє сильну міжшарову взаємодію та зберігає свої хороші механічні властивості навіть після додавання кількох шарів», — сказав докторант Університету Райса Циї Фанг, один із провідних авторів статті PNAS.

На думку дослідників, це явище, швидше за все, пов’язане з водневим зв’язком. «Ми виявили за допомогою нашого моделювання, що сильні міжшарові взаємодії в другому типі COF є результатом значного посилення водневих зв’язків між його спеціальними функціональними групами», — сказав один із провідних авторів Zhengqian Pang, постдокторський дослідник UMD та член Li’s. дослідницька група.

Застосовуючи свої висновки, дослідницька група створила легкий матеріал, який не тільки в кілька разів міцніший за сталь, але й зберігає свої 2D-властивості, навіть якщо його складено в кілька шарів.

Потенційних застосувань багато. «COF можуть стати чудовими фільтраційними мембранами», — сказав Лу з Райса. «Для системи фільтрації структура функціональної групи в порі буде дуже важливою. Оскільки у вас, скажімо, брудна вода, що проходить через мембрану COF, функціональна група в порі захопить лише домішки та дозволить бажаній молекулі пройти. У цьому процесі механічна цілісність цієї мембрани буде дуже важливою. Тепер у нас є спосіб розробити дуже міцні, дуже стійкі до руйнування, багатошарові 2D полімери, які можуть бути дуже хорошими кандидатами для застосувань мембранної фільтрації».

«Іншим потенційним застосуванням є модернізація акумуляторів: заміна графітового анода на кремнієвий значно збільшить ємність сучасних літій-іонних батарей», — сказав він.

За словами Лі, результати дослідження також можуть призвести до прогресу в розробці широкого діапазону матеріалів, включаючи кераміку та метали. Кераміка, наприклад, залежить від іонного зв’язку, який утворюється при дуже високих температурах, тому розбиту кавову чашку неможливо легко виправити. Метали також вимагають кування при високих температурах. Завдяки молекулярним налаштуванням, які вивчають дослідники, подібні продукти можна ймовірно виробляти та ремонтувати без збільшення тепла.

«Хоча безпосереднім контекстом є 2D-матеріали, загалом ми є новаторськими способами використання переваг матеріалів без обмежень, які ці матеріали представляють», — сказав Лі.