科学家制造出比钢铁还坚固的轻质二维材料(科学家制造出比钢铁还坚固的轻质燃料)

147小编 次浏览

摘要: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...

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。

随机内容
燃煤锅炉有哪些优缺点?环保问题如何解决(燃煤锅炉的工作过程锅炉原理) 燃煤锅炉有哪些优缺点?环保问题如何解决(燃煤锅炉的工作过程锅炉原理)
湖南水汽能技术替代锅炉为城区集中供暖2010年,文强被执行死刑前的照片,双手戴手铐,躺在一个光板床上(火力发电厂水汽系统流程) 湖南水汽能技术替代锅炉为城区集中供暖2010年,文强被执行死刑前的照片,双手戴手铐,躺在一个光板床上(火力发电厂水汽系统流程)
「优质股权」上海国际节能环保发展有限公司49%股权(上海节能环保科技园) 「优质股权」上海国际节能环保发展有限公司49%股权(上海节能环保科技园)
如何搭上“双碳”的顺风车?汽车轻量化材料和部件的创业机会值得关注导演迟迟没喊停,成就难以复制的荧屏经典,却也致女一号婚姻破裂(双碳工作的主要目标是到哪年) 如何搭上“双碳”的顺风车?汽车轻量化材料和部件的创业机会值得关注导演迟迟没喊停,成就难以复制的荧屏经典,却也致女一号婚姻破裂(双碳工作的主要目标是到哪年)
两轮换电赛道:中国铁塔、智租换电、雅迪暗流涌动我国第一代国模有多美?堪比绝世佳人,网友:当年审美比现在正常(e换电和中国铁塔) 两轮换电赛道:中国铁塔、智租换电、雅迪暗流涌动我国第一代国模有多美?堪比绝世佳人,网友:当年审美比现在正常(e换电和中国铁塔)
节能灯的选购方法是什么 节能灯优点(节能灯的品种有哪些) 节能灯的选购方法是什么 节能灯优点(节能灯的品种有哪些)
环保「翻车」!H&M、迪卡侬们如何打破「漂绿」幻境?西方若插手台湾,中方如何应对?77年邓公已指明方向,只有2条路(piloting迪卡侬) 环保「翻车」!H&M、迪卡侬们如何打破「漂绿」幻境?西方若插手台湾,中方如何应对?77年邓公已指明方向,只有2条路(piloting迪卡侬)
减少电脑碳排放,是一项群策群力的工程格力“换掉”代言人成龙,董明珠:我有3个理由换掉他!(减少碳排放量) 减少电脑碳排放,是一项群策群力的工程格力“换掉”代言人成龙,董明珠:我有3个理由换掉他!(减少碳排放量)
【科瑞莱分享】化工厂环保空调安装案例(车间环保空调工程招标) 【科瑞莱分享】化工厂环保空调安装案例(车间环保空调工程招标)
节能、绿色、可持续发展的绿色建筑与节能设计探讨(绿色节能建筑的发展趋势) 节能、绿色、可持续发展的绿色建筑与节能设计探讨(绿色节能建筑的发展趋势)