纳米管螺纹钢使石墨烯坚韧两倍

莱斯大学的研究人员发现，抗碎裂的“钢筋石墨烯”的质量是原始石墨烯的两倍。

石墨烯是一种原子厚度的碳片。在二维尺度上，材料比钢更强，但由于石墨烯很薄，它仍然会被撕裂和撕裂。

钢筋石墨烯是混凝土中钢筋(钢筋)的纳米级类似物，其中嵌入式钢筋增强了材料的强度和耐久性。由化学家詹姆斯·图尔的莱斯实验室于2014年开发的钢筋石墨烯使用碳纳米管进行增强。

在美国化学学会杂志ACS Nano的一项新研究中，莱斯材料科学家Jun Lou，研究生和主要作者Emily Hacopian以及合作者，包括Tour，压力测试的钢筋石墨烯，发现纳米管钢筋转移并桥接否则会传播的裂缝在未增强的石墨烯中。

实验表明，纳米管有助于石墨烯保持弹性，并减少裂缝的影响。Lou说，这不仅适用于柔性电子产品，也适用于电活性可穿戴设备或其他需要耐受性，柔韧性，透明度和机械稳定性的设备。

布朗大学合作者的实验室机械测试和分子动力学模拟都显示了材料的韧性。

娄说，石墨烯的优异导电性使其成为器件的有力候选者，但其脆性本身就是一个缺点。两年前，他的实验室报告说，石墨烯的强度与其最薄弱的环节一样强。这些测试显示原始石墨烯的强度“显着低于”其报告的固有强度。在后来的一项研究中，实验室发现，研究人员感兴趣的另一种二维材料二硒化钼也很脆弱。

巡回演出接近Lou和他的团队对钢筋石墨烯进行类似的测试，通过将单壁纳米管旋涂到铜基板上并通过化学气相沉积在石墨烯上生长石墨烯。

为了对钢筋石墨烯进行压力测试，Hacopian，Yang及其同事不得不把它拉成碎片并测量施加的力。通过反复试验，该实验室开发出一种切割材料微观片段并将其安装在测试台上的方法，用于扫描电子和透射电子显微镜。

“我们不能使用胶水，所以我们必须了解材料和我们的测试设备之间的分子间力，”Hacopian说。“这些材料很脆弱，真的很难。”

钢筋并没有使石墨烯不会受到最终的破坏，但是纳米管通过在它们繁殖时迫使裂缝到zig和zag来减缓这一过程。当力太弱而不能完全破坏石墨烯时，纳米管有效地桥接裂缝，并且在某些情况下保持了材料的导电性。

在早期的测试中，Lou的实验室显示石墨烯的原生断裂韧性为4兆帕斯卡。相比之下，钢筋石墨烯的平均韧性为10.7兆帕斯卡，他说。

研究的共同作者华建高和他的团队在布朗的模拟证实了物理实验的结果。高的团队在石墨烯中有序排列的钢筋的模拟中发现了相同的效果，就像在物理样品中测量的那样，钢筋指向每个方向。

“这些模拟非常重要，因为它们让我们能够在时间尺度上看到我们使用显微镜技术无法获得的过程，这只能为我们提供快照，”Lou说。“布朗团队真的帮助我们了解这些数字背后发生的事情。”

他说，螺纹石石墨的结果是许多新材料表征的第一步。“我们希望这开启了人们可以为应用程序设计2D材料特征的方向，”Lou说。