2018年8月2日，邁克·威廉姆斯，萊斯大學
一幅圖像描繪了萊斯大學材料科學家在電子顯微鏡下測試後的“鋼筋石墨烯”樣品。它展示了裂紋是如何曲折傳播的，而不是像普通石墨烯中看到的那樣筆直傳播。“鋼筋石墨烯”通過兩側的分子力附著在平臺上，慢慢將材料拉開。圖片:艾米莉·哈科潘/盧集團萊斯大學的研究人員發現，抗斷裂的“鋼筋石墨烯”是原始石墨烯的兩倍多。
石墨烯是一片一個原子厚的碳。在二維尺度上，這種材料比鋼更堅固，但是因為石墨烯太薄了，它仍然會被撕裂。
鋼筋石墨烯是類似於混凝土中鋼筋(鋼筋)的納米級類似物，其中嵌入的鋼筋增強了材料的強度和耐久性。化學家詹姆斯·圖爾的賴斯實驗室在2014年開發的rebar石墨烯使用碳納米管來增強。
在美國化學學會雜誌的一項新研究中納米活性碳材料科學家Jun Lou、研究生和主要作者Emily Hacopian以及包括Tour在內的合作者對鋼筋石墨烯進行了壓力測試，發現納米管鋼筋轉移並橋接了裂紋，否則這些裂紋會在未增強的石墨烯中傳播。
實驗表明，納米管有助於石墨烯保持拉伸性，並減少裂紋的影響。Lou說，這不僅對柔性電子設備有用，而且對電激活的可穿戴設備或其他需要應力容限、柔性、透明度和機械穩定性的設備也有用。
實驗室的機械測試和分子動力學模擬，布朗大學的合作者揭示了這種材料的韌性。
Lou說，石墨烯優異的導電性使其成為器件的有力候選材料，但其脆性是一個缺點。他的實驗室兩年前報道說石墨烯只有最薄弱的環節那麼堅固。這些測試表明原始石墨烯的強度“大大低於”其報道的固有強度。在後來的一項研究中，實驗室發現研究人員感興趣的另一種二維材料二硒鉬也很脆。
tour與Lou和他的團隊接觸，對rebar graphene進行類似的測試，rebar graphene是通過將單壁納米管旋塗到銅基底上，並通過化學氣相沉積在其上生長石墨烯而製成的。
為了對鋼筋石墨烯進行壓力測試，Hacopian、Yang和他的同事們不得不將它撕成碎片，並測量施加的力。通過反覆試驗，實驗室開發了一種方法來切割材料的微觀碎片，並將其安裝在測試臺上，用於掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡。
Hacopian說:“我們不能使用膠水，所以我們必須瞭解材料和我們的測試設備之間的分子間力。”。“用這種易碎的材料，真的很難。"
rebar沒有阻止石墨烯最終失效，但是納米管通過在裂紋傳播時迫使裂紋曲折來減緩這一過程。當力太弱而不能完全破壞石墨烯時，納米管有效地橋接了裂縫，在某些情況下保持了材料的導電性。
在早期的測試中，盧的實驗室顯示石墨烯具有4兆帕的天然斷裂韌性。相反，rebar石墨烯的平均韌性為1070萬帕斯卡，他說。
研究合著者高華健和他在布朗的團隊進行的模擬證實了物理實驗的結果。Gao的團隊在模擬石墨烯中有序排列的鋼筋時發現了與物理樣品中鋼筋指向各個方向時測量到的效果相同的效果。
Lou說:“這些模擬非常重要，因為它們讓我們能夠在顯微鏡技術無法提供的時間尺度上看到這個過程，這隻能給我們提供快照。”。“布朗團隊真的幫助我們瞭解了數字背後發生的事情。"
他說，rebar石墨烯的結果是許多新材料表徵的第一步。Lou說:“我們希望這打開了人們為應用設計二維材料特性的一個方向。”。
緬因大學的哈科皮安、鷹巢·楊和布朗大學的博妮是該論文的共同牽頭作者。合著者有李毅倫、賴斯的郭華、賴斯和鄭州大學的李星以及北京大學的陳清。盧是賴斯大學的材料科學和納米工程教授。tour是麻省理工學院和趙永福化學講座教授，也是計算機科學、材料科學和納米工程水稻教授。高是布朗大學的沃爾特·安伯格工程學教授。
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