新研究可能会刺激二维材料的更广泛使用

它们被认为是地球上最坚固的材料之一，但事实证明，利用这种强度是一项挑战。

比最精致的洋葱皮纸还薄的二维材料因其令人难以置信的机械性能而引起了人们的浓厚兴趣。然而，当材料堆叠成多层时，这些特性就会消失，从而限制了它们的用途。

“想想石墨铅笔，” 马里兰大学 (UMD) 机械工程系Keystone 教授Teng Li说。“它的核心是由石墨制成的，而石墨是由多层石墨烯组成的，石墨烯已被发现是世界上最坚硬的材料。然而，石墨铅笔一点也不结实——事实上，石墨甚至被用作润滑剂。”

现在，李和莱斯大学和休斯顿大学的合作者找到了一种方法来克服这一障碍，方法是仔细调整称为共价有机骨架 (COF) 的二维聚合物的分子结构 。发表在《国家科学院院刊》 上的一项新研究详细介绍了这些发现 。

“这是一个非常令人兴奋的起点，” 领导莱斯团队的莱斯大学材料科学和纳米工程教授Jun Lou说。

研究人员使用分子水平的模拟，研究了不同的官能团——即分子元素的排列——然后设计了两种在结构上具有微小差异的 COF。然后，他们研究了 COF 在堆叠成层时的行为。事实证明，微小的结构差异导致了截然不同的结果。

与大多数二维材料一样，第一个 COF 层与层之间的相互作用很弱，随着层数的增加，强度和弹性都会降低。第二种 COF 则不然，它“表现出强烈的层间相互作用，即使添加多层也能保持良好的机械性能，”莱斯大学博士生 Qiyi Fang 说，他是 PNAS 论文的共同主要作者。

据研究人员称，这种现象很可能是由于氢键作用所致。“我们从模拟中发现，第二类 COF 中强烈的层间相互作用是由其特殊官能团之间显着增强的氢键引起的，”UMD 博士后研究员、Li 的成员、共同主要作者 Zhengqian Pang 说。研究组。

应用他们的发现，研究团队随后生产出一种轻质材料，这种材料不仅强度是钢的几倍，而且即使堆叠成多层也能保持其二维特性。

潜在的应用很多。“COF 可以制造出色的过滤膜，”Rice 的 Lou 说。“对于过滤系统而言，孔隙处的官能团结构非常重要。比方说，脏水通过 COF 膜时，孔隙处的官能团将仅捕获杂质并允许所需分子通过。在此过程中，该膜的机械完整性将非常重要。现在我们有办法设计非常坚固、非常抗断裂的多层二维聚合物，它们可以成为膜过滤应用的非常好的候选者。”

“另一个潜在的应用是升级电池：用硅代替石墨阳极将大大增加当前锂离子电池技术的存储容量，”他说。

李说，这项研究的见解还可能导致包括陶瓷和金属在内的多种材料的设计取得进展。例如，陶瓷依赖于在非常高的温度下形成的离子键合，这就是为什么破碎的咖啡杯不容易固定的原因。同样，金属需要在高温下锻造。随着研究人员探索分子调整，可以想象在不加热的情况下制造和修复类似的产品。

“虽然直接背景是二维材料，但更一般地说，我们正在开创性地利用材料的有利特性，而不受这些材料存在的限制，”李说。

陆军研究实验室合作协议 (W911NF-18-2-0062)、韦尔奇基金会 (C-1716) 和马里兰高级研究计算中心支持这项研究。