西北大學研究人員的一項新研究表明,將強,固態(tài)的GO薄片與弱的,多孔的GO薄片混合,可以制成更好的GO“ 紙 ”。這一發(fā)現(xiàn)將有助于生產(chǎn)更高質(zhì)量的GO材料,并闡明了材料工程中的一個普遍問題:如何將納米級材料構(gòu)建為宏觀材料而又不喪失其理想性能。
領(lǐng)導這項研究的西北工程材料科學與工程學教授黃嘉興說:“從人類的角度來說,協(xié)作非常重要。” “如果優(yōu)秀的球員不能很好地合作,他們?nèi)匀粫斐梢恢г愀獾那蜿?。在這里,我們增加了一些看似較弱的球員,他們使整個球隊變得更加強大。”
這項研究是四方合作。除Huang之外,麥考密克工程學院機械工程教授Horacio Espinosa領(lǐng)導的其他三個小組也參加了會議。西北化學教授SonBinh Nguyen;泰熙(Tae Hee Han)是該大學的前博士后研究員,現(xiàn)在是韓國漢陽大學的有機和納米工程教授。
這項研究今天發(fā)表在《自然通訊》上。
高科技紙
GO是石墨的衍生物,可用于制造二維超材料石墨烯。由于GO易于制造,因此科學家將其作為模型材料進行研究。它通常以細小薄片在水中的分散形式出現(xiàn)。從一端到另一端,每個薄片都小于人類頭發(fā)的寬度,并且只有一個納米厚。
當將GO薄片的溶液倒在過濾器上并除去水時,會形成一張薄的“紙”,通常直徑為幾英寸,厚度小于或等于40微米。分子間的力將薄片保持在一起,僅此而已。
實力來自劣勢
科學家可以在單層中制作出堅固的GO,但將薄片分層成紙狀效果并不理想。在測試孔對GO薄片強度的影響時,Huang和他的合作者發(fā)現(xiàn)了一種解決方案。
研究人員使用氨水和過氧化氫的混合物,化學蝕刻了GO薄片中的孔。浸泡一到三個小時的薄片比未蝕刻的薄片要弱得多。浸泡五個小時后,薄片變得非常脆弱,無法測量。
然后,該團隊發(fā)現(xiàn)了一些令人吃驚的東西:由弱化的薄片制成的紙張比預期的要堅固。例如,在單層水平上,一小時蝕刻的多孔薄片比固態(tài)薄片弱70%,但是由這些薄片制成的紙僅比固態(tài)薄片弱10%。
黃說,當團隊將固體薄片和多孔薄片混合在一起時,事情變得更加有趣。除了不削弱僅由固體薄片制成的紙張外,添加10%或25%的最弱薄片也分別使紙張強度提高約95%和70%。
有效連接
Huang說,如果將GO薄板比作鋁箔,那么制作GO紙就像將鋁箔堆疊成厚的鋁板一樣。如果您從大片鋁箔開始,則許多鋁箔很可能會起皺,從而阻礙了兩張鋁箔之間的緊密包裝。另一方面,較小的紙張不易起皺。它們可以很好地包裝在一起,但是會形成緊密的堆疊,這些堆疊與其他緊密的堆疊無法很好地集成在一起,從而在GO紙中形成了容易破裂的空隙。
Huang說:“薄的薄片會翹曲填充這些空隙,從而改善了整個材料中的力分布。” “這提醒人們,單個單元的強度只是方程式的一部分;有效的連接和應力分布同等重要。”
Huang說,這一發(fā)現(xiàn)將直接適用于其他二維材料,例如石墨烯,也將導致設(shè)計更高質(zhì)量的GO產(chǎn)品。他希望接下來可以在GO光纖上對其進行測試。
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