Усиление графена с использованием углеродных нанотрубок

Ультратонкий и чрезвычайно проводящий графен демонстрирует потенциал для гибкой электроники и энергоемких аккумуляторных электродов. Но ученые-медики опасаются, что хрупкость материала может удержать ее от практических применений. Новые исследования показывают, что углеродные нанотрубки могут быть решением этой проблемы. Чувствительные методы измерения и моделирование показывают, что покрытие графена с углеродными нанотрубками помогает ему противостоять разрушению таким же образом, что арматура делает более надежными бетонные конструкции.

Углеродные нанотрубки, встроенные в графен, действуют как арматура, чтобы сделать графен более жестким. (Image credit: ACS Nano)

Отдельные углерод-углеродные связи в графене являются одними из самых жестких в природе. «В идеальном мире это должно быть очень сильным», – говорит Джун Лу, эксперт по наномеханике в Университете Райса. Но уменьшайте масштаб, и материал тонкий, легко разрывается на участках самых мелких дефектов в его структуре. В 2014 году Лу опубликовал документ, подтверждающий, что чистый графен обладает вязкостью разрушения всего 4 МПа, делая его более хрупким, чем безопасное стекло, которое призвано разрушить удар. По его словам, это будет проблемой в таких приложениях, как гибкая электроника. Слезы в материале могут привести к короткому замыканию графеновых устройств или привести к дорогостоящим производственным сбоям. « Когда вы попадаете в реальную коммерческую сферу, надежность становится проблемой», Лу говорит.

. Один из способов борьбы с этим – попытаться регулировать кристаллическую структуру графена, чтобы устранить дефекты, но это сложно. Нанохимик из Университета Райс Джеймс М. Тур выбрал другой подход, с энтузиазмом взятый из композитных строительных материалов, используя другой углеродный наноматериал, который также обладает хорошими электрическими свойствами: углеродными нанотрубками. Он создал гибрид графена-нанотрубки, который он назвал арматурным графеном, покрывая медную поверхность углеродными нанотрубками, используя химическое осаждение из паровой фазы, чтобы вырастить графен сверху, а затем очистил графеновый графен. Тур полагал, что материал будет сильным, как арматурный бетон, и он объединил усилия с Лу, чтобы провести широкомасштабные механические испытания, необходимые для доказательства этой идеи.

Команда Лу выполнила повторные эксперименты по разлому в различных типах электронных микроскопов, используя миниатюрное механическое устройство для натяжения арматуры арматуры под разными углами относительно нанотрубок. Экспериментальные методы сами по себе не могут зафиксировать, что происходит при переломах графена – это происходит очень быстро. Таким образом, команда сотрудничала с исследователями Университета Брауна, которые являются экспертами в области молекулярного моделирования. Сшив вместе изображения из ряда экспериментов и подражая событиям, команда смогла получить полную картину того, что происходит, когда следы графина арфина, вплоть до уровня отдельных нанотрубок.

«Нам понадобилось пару лет, чтобы понять, что происходит», . « В нетронутом графене трещина неудержима и идет по прямой. « В арматурном графене трещина перемещается зигзагообразно, с нанотрубками, удерживая графен вместе, как мосты, вытягивая разорванные стороны назад, пока напряжение не будет очень высоким и нанотрубки. Арматура арматуры имеет вязкость разрушения 10,7 МПа, что в два раза больше, чем у нетронутого графена. Несмотря на то, что надежность в реальных устройствах еще должна быть продемонстрирована, эти свойства стандартных материалов являются хорошей новостью для тех, кто стремится создать сильную электронику с использованием углеродных наноматериалов. Более ранняя работа Tour показала, что арматура арматуры обладает более низким электрическим сопротивлением и лучшей прозрачностью по сравнению с простым графеном.

Лу говорит, что другие благоприятные ультратонкие 2D-материалы, такие как дисульфид молибдена, также являются хрупкими и могут быть ужесточены с использованием той же методики. Тин Чжу, инженер-механик в Технологическом институте Джорджии, увлекается методами, используемыми в исследовании, и соглашается, что это будет иметь более широкие последствия. « Это прокладывает путь для разработки арматурного арматура следующего поколения, а также других твердых и сложных 2D-материалов, которые могут быть использованы для гибкой электроники и хранения энергии», – говорит он.

]

Источник: https://cen.acs.org

Source link