萊斯大學的研究人員發現，碳納米管增強的抗碎裂的““鋼筋石墨烯””比原始石墨烯堅韌兩倍。
石墨烯是一種原子厚度的碳片。在二維尺度上，這種材料比鋼更強，但由於石墨烯很薄，它仍然會被撕裂和撕裂。
“鋼筋石墨烯”是混凝土中鋼筋的納米級類似物，嵌入式“鋼筋”增強了材料的強度和耐久性。由化學家James Tour於2014年開發的“鋼筋石墨烯”使用碳納米管進行增強。
在美國化學學會雜誌ACS Nano（《通過整合碳納米管增韌石墨烯》）的一項新研究中，萊斯大學材料科學家Jun Lou及合作者通過壓力測試的“鋼筋石墨烯”，發現納米管鋼筋可以轉移和橋接石墨烯中裂縫，否則裂縫將在未增強的石墨烯中傳播。
這種納米管有助於石墨烯保持拉伸，並減少裂紋的影響。這不僅對靈活的電子產品有用，而且對電活性可穿戴設備或其他需要耐壓、靈活性、透明性和機械穩定性的設備也很有用。實驗室的機械測試和布朗大學(Brown University)的分子動力學模擬都揭示了這種材料的韌性。
研究人員介紹，石墨烯的優異導電性使其成為器件的有力候選者，但其脆性本身就是一個缺點。兩年前，實驗室報告表明，原始石墨烯的強度“遠低於其報告的內在強度”。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化鉬也很脆弱。
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。它顯示了裂縫如何以鋸齒形方式傳
該團隊對“鋼筋石墨烯”進行了類似的測試，通過將單壁納米管旋塗到銅基板上並通過化學氣相沉積在其表面生長石墨烯。
為了對“鋼筋石墨烯”進行壓力測試，研究人員把它拉成碎片並測量施加的力。通過反覆試驗，該實驗室發明了一種方法，可以切割材料的微小部分，並將其安裝在實驗臺上，以便與掃描電子和透射電子顯微鏡一起使用。
實驗中，“鋼筋”沒有保持石墨烯不會受到最終的破壞，但是納米管通過迫使裂紋在擴散過程中的彎曲和凹凸不平而減緩了這一過程。當力太弱而不能完全破壞石墨烯時，納米管有效地橋接裂紋，在某些情況下保持了材料的導電性。
在早期的測試中，該實驗室顯示石墨烯的天然斷裂韌性為4兆帕斯卡。相比之下，“鋼筋石墨烯的”平均韌性為10.7兆帕斯卡。研究人員認為：“這些模擬非常重要，因為它們讓我們能夠在時間尺度上看到我們使用顯微鏡技術無法獲得的過程。“鋼筋石墨烯”的結果是許多新材料表徵的第一步。我們希望這開啟了人們可以為應用設計2D材料特徵的方向。”
文獻鏈接：Emily F. Hacopian, Yingchao Yang, Bo Ni, Yilun Li, Xing Li, Qing Chen, Hua Guo, James M. Tour, Huajian Gao, Jun Lou. Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes. ACS Nano, 2018; DOI: 10.1021/acsnano.8b02311
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