Новое исследование может стимулировать более широкое использование двумерных материалов

Они считаются одними из самых прочных материалов на планете, но добиться этой прочности оказалось непросто.

Двумерные материалы, более тонкие, чем самая тонкая луковая бумага, вызывают повышенный интерес благодаря своим невероятным механическим свойствам. Однако эти свойства рассеиваются, когда материалы укладываются в несколько слоев, что ограничивает их полезность.

Представьте себе графитовый карандаш, — говорит Тенг Ли, профессор кафедры машиностроения Университета Мэриленда (UMD).

— Его стержень сделан из графита, а графит состоит из множества слоев графена, который, как выяснилось, является самым прочным материалом в мире. Тем не менее, графитовый карандаш не является прочным, графит даже используется в качестве смазки.

Теперь Ли и его коллеги из Университета Райса и Университета Хьюстона нашли способ преодолеть этот барьер, тщательно изменив молекулярную структуру двумерных полимеров, известных как ковалентные органические каркасы (КОФ). Полученные результаты подробно описаны в новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Это очень интересная отправная точка, — сказал профессор материаловедения и наноинженерии Университета Райса Джун Лу, возглавлявший группу исследователей.

Используя моделирование на молекулярном уровне, исследователи изучили различные функциональные группы, то есть расположение молекулярных элементов, а затем разработали два COF с незначительными различиями в структуре. Затем они изучили, как ведут себя COF, когда их складывают в слои. Оказалось, что крошечные структурные различия привели к значительно отличающимся результатам.

Первый COF, как и большинство двумерных материалов, демонстрировал лишь слабое взаимодействие между слоями, а прочность и упругость уменьшались по мере добавления новых слоев. Это не так со вторым COF, который «демонстрирует сильное межслойное взаимодействие и сохраняет хорошие механические свойства даже при добавлении нескольких слоев», — заявил докторант Университета Райса Цийи Фанг, соавтор статьи в PNAS.

По мнению исследователей, это явление, скорее всего, обусловлено водородной связью.

В результате моделирования мы обнаружили, что сильные межслойные взаимодействия во втором типе COF обусловлены значительно усиленной водородной связью между специальными функциональными группами, — сказал соавтор работы Чжэнцян Панг, докторант UMD и член исследовательской группы Ли.

Применив полученные результаты, исследовательская группа создала легкий материал, который не только в несколько раз прочнее стали, но и сохраняет свои двухмерные свойства даже при укладке в несколько слоев.

Потенциальных применений много. «Из COF могут получиться отличные фильтрационные мембраны», — говорит Лу из Райса. „Для системы фильтрации очень важна структура функциональной группы в порах. Когда, скажем, грязная вода проходит через мембрану COF, функциональная группа на порах будет захватывать только примеси и пропускать нужные молекулы. В этом процессе очень важна механическая целостность мембраны. Теперь у нас есть возможность создавать очень прочные, очень устойчивые к разрушению, многослойные 2D-полимеры, которые могут быть очень хорошими кандидатами для применения в мембранной фильтрации“.

Еще одно потенциальное применение — модернизация батарей: Замена графитового анода на кремниевый значительно увеличит емкость нынешних литий-ионных аккумуляторов, — сказал он.

По словам Ли, результаты исследования также могут привести к прогрессу в разработке широкого спектра материалов, включая керамику и металлы. Керамика, например, зависит от ионной связи, которая образуется при очень высоких температурах, поэтому разбитую кофейную чашку не так-то просто починить. Металлы, в свою очередь, требуют ковки при высоких температурах. С помощью молекулярной подстройки, изучаемой исследователями, подобные изделия можно будет производить и ремонтировать без повышения температуры.

Хотя непосредственным контекстом являются двумерные материалы, в более широком смысле мы разрабатываем способы использования преимущественных свойств материалов без ограничений, которые эти материалы накладывают, — заключил Ли.

03.04.2023