设置
  • 日夜间
    随系统
    浅色
    深色
  • 主题色

科学家制造出比钢铁还坚固的轻质二维材料,可用于制作过滤膜、提升电池性能

2023/5/7 16:51:57 来源:IT之家 作者:远洋 责编:远洋

IT之家 5 月 7 日消息,二维材料(2D material)是一种比纸还薄的物质,但它们具有惊人的力学性能,被认为是地球上最坚固的材料之一。然而,要把这些材料堆叠起来使用,却是一件非常困难的事情。因为当这些材料叠加在一起时,它们之间的相互作用很弱,导致它们的力学性能大打折扣,限制了它们的实际应用。

现在,美国的科学家们找到了突破这一障碍的方法。他们通过微调二维聚合物 —— 共价有机框架(COFs)的分子结构,创造出一种轻盈而强韧的新型材料,即使叠加多层,也能保持其二维特性。

“这是一个非常令人兴奋的起点。”来自莱斯大学材料科学与纳米工程系的教授 Jun Lou 说,他领导了莱斯大学的研究团队。

研究人员利用分子水平的模拟,研究了不同的官能团 —— 即分子元素的排列方式,并设计了两种结构略有差异的 COFs。然后,他们研究了这些 COFs 在叠加成多层时的行为。结果发现,微小的结构差异导致了截然不同的结果。

第一种 COF,像大多数二维材料一样,只显示出很弱的层间相互作用,随着层数增加,其强度和弹性都消失了。而第二种 COF 却不同,“它表现出强烈的层间相互作用,并且即使增加多层,也保持了良好的力学性能。”该论文的共同第一作者、莱斯大学博士生 Qiyi Fang 说。

据研究人员推测,这种现象很可能是由于氢键作用。“我们从模拟中发现,在第二种 COF 中,由于其特殊官能团之间显著增强了氢键作用,导致了强大的层间相互作用。”该论文的另一位共同第一作者、马里兰大学机械工程系博士后研究员 Zhengqian Pang 说。

在此基础上,研究团队制造出了一种轻盈而强韧的新型材料,它不仅比钢铁坚固几倍,而且即使叠加多层,也能保持其二维特性。这种材料有许多潜在的应用领域。

COFs 可以制成优秀的过滤膜。”莱斯大学的 Lou 说,“对于一个过滤系统来说,在孔隙处的官能团结构非常重要。当你有污水通过 COF 膜时,孔隙处的官能团会捕获杂质,只让所需的分子通过。在这个过程中,膜的力学完整性非常重要。现在我们有了一种方法,可以设计非常强韧、抗断裂的多层二维聚合物,它们可以是非常好的过滤膜候选材料。”

另一个潜在的应用是提升电池性能:用硅代替石墨作为阳极,可以大大增加当前锂离子电池技术的储能容量。”他说。

这项研究还可能促进一系列材料的设计,包括陶瓷和金属。例如,陶瓷依赖于在非常高的温度下形成的离子键,这就是为什么一个破碎的咖啡杯不能轻易修复。同样,金属也需要在高温下锻造。而通过研究人员探索的分子微调方法,类似的产品或许可以在不加热的情况下制造和修复。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上,IT之家附地址

广告声明:文内含有的对外跳转链接(包括不限于超链接、二维码、口令等形式),用于传递更多信息,节省甄选时间,结果仅供参考,IT之家所有文章均包含本声明。

相关文章

关键词:材料科学

软媒旗下网站: IT之家 辣品 - 超值导购,优惠券 最会买 - 返利返现优惠券 iPhone之家 Win7之家 Win10之家 Win11之家

软媒旗下软件: 魔方 云日历 酷点桌面 Win7优化大师 Win10优化大师 软媒手机APP应用