Автор: AZoNano Авг 19 2016 [1945]

Согласно предположениям, разработка сверхпрочного материала из наноразмерных строительных блоков требует, чтобы строительные блоки самого высокого качества начинались с. Однако это неверно – по крайней мере, когда исследователи работают с «хлопьями» оксида графена (GO).

Инновационное исследование, проведенное учеными Северо-Западного университета, демонстрирует, что улучшенная «бумага» GO может быть получена путем объединения сильных твердых хлопьев GO со слабыми пористыми хлопьями GO. Результаты исследования помогут в производстве высококачественных GO-материалов, и они проливают свет на общую проблему в области материаловедения: как превратить наноразмерный материал в макроскопический материал без потери его желаемых свойств.

Говоря человеческим языком, очень важно сотрудничество . Отличные игроки могут по-прежнему создавать плохую команду, если они плохо работают вместе. Здесь мы добавляем несколько, казалось бы, более слабых игроков, и они укрепляют всю команду .

Цзясин Хуан, профессор материаловедения и инженерии, инженерная школа Маккормика, Северо-Западный университет

Хуан также руководил исследованием.

Исследование было четырехсторонним сотрудничеством. Помимо Хуанга, в нем приняли участие еще три команды, возглавляемые Орасио Эспинозой, профессором машиностроения в Школе Маккормика; СонБинь Нгуен, профессор химии в Северо-Западном; и Тэ Хи Хан, бывший исследователь постдоков в университете, который в настоящее время является профессором органической и наноинженерии в университете Ханьянг, Южная Корея.

Об исследовании было сообщено в Nature Communications 15 августа ^th 2019.

Высокотехнологичная бумага

GO получен из графита, который может быть использован для создания двумерного графена суперматериала. Поскольку GO легче производить, исследователи исследуют его как модельный материал. Это обычно происходит в виде дисперсии крошечных хлопьев в воде. От одного конца до другого каждая чешуйка тоньше ширины пряди человеческого волоса толщиной всего 1 нм.

При выливании раствора хлопьев GO на фильтр и при извлечении воды создается тонкая «бумага», обычно диаметром несколько дюймов с толщиной, меньшей или равной 40 мкм. Хлопья удерживаются вместе только межмолекулярными силами и ничем иным.

Сила от слабости

Несмотря на то, что исследователи могут создавать сильные ОХ в однослойных слоях, наслоение хлопьев в бумажную форму работает не слишком хорошо. Хуан и его коллеги нашли решение во время испытания влияния дырок на прочность хлопьев GO.

Ученые использовали комбинацию аммиака и перекиси водорода для химического «травления» дырок в хлопьях GO. Хлопья, которые оставались пропитанными в течение одного-трех часов, были значительно слабее по сравнению с не протравленными хлопьями. После пяти часов выдержки хлопья стали настолько слабыми, что их невозможно было измерить.

После этого группа обнаружила нечто захватывающее: бумага, созданная из ослабленных хлопьев, оказалась сильнее, чем предполагалось. Например, на однослойном уровне пористые чешуйки с травлением в течение часа были на 70% слабее по сравнению с твердыми чешуйками; однако бумага, полученная из этих чешуек, была на 10% слабее по сравнению с бумагой из твердых чешуек.

Еще более удивительные вещи развалились, когда группа объединила твердые хлопья вместе с пористыми хлопьями, заявил Хуан. Вместо того, чтобы ослаблять бумагу, созданную только из твердых чешуек, добавление 25% или 10% самых слабых хлопьев укрепило ее примерно на 70% и 95%, соответственно.

Эффективное соединение

Согласно Хуангу, если листы GO можно сравнить с алюминиевой фольгой, то изготовление бумаги GO аналогично накапливанию фольги для формирования толстой алюминиевой плиты. Если начать с больших листов алюминиевой фольги, есть много возможностей, которые многие сморщат, мешая плотной упаковке между листами.

Напротив, листы меньшего размера складываются не так легко. Они хорошо упаковываются, но образуют плотные стопки, которые плохо сочетаются с другими плотными стопками, образуя отверстия в бумаге GO, где она может легко сломаться.

Слабые хлопья деформируются, чтобы заполнить эти пустоты, что улучшает распределение сил по всему материалу . Напоминаем, что сила отдельных единиц – это только часть уравнения; Эффективное соединение и распределение напряжений одинаково важны .

Цзясин Хуан, профессор материаловедения и инженерии, инженерная школа Маккормика, Северо-Западный университет

Хуанг заявил, что этот вывод будет непосредственно применим к другим 2D материалам, таким как графен, и также приведет к разработке более качественных продуктов GO. Далее он хочет проверить это на волокнах GO.

Отделение военно-морских исследований (ONRN000141612838) поддержало это исследование.

Источник: https://www.mccormick.northwestern.edu/