石墨烯的昂貴使得其即使有著高強(qiáng)度和韌性等優(yōu)勢(shì)，也不能為航空航天、自動(dòng)化、基礎(chǔ)設(shè)施和交通運(yùn)輸?shù)瘸浞掷谩，F(xiàn)在，由Markus Buehler領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院的研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬來(lái)設(shè)計(jì)一種基于氧化石墨烯的復(fù)合材料，這種材料針對(duì)強(qiáng)度和韌性進(jìn)行了優(yōu)化，并展示了濕度如何改善這些性能。
水對(duì)層間距的影響。(a)不同含水量的GO和GO-PDA型號(hào)的快照。 為清楚起見(jiàn)，PDA(DHI單位)顯示為橙色，水分子以藍(lán)色顯示。(b)不同含水率GO和GO-PDA的層間距(c)GO和GO-PDA論文的掃描電子顯微鏡圖像。比例尺表示500nm。
人造材料可以是堅(jiān)硬的或強(qiáng)韌的，但迄今為止，為使兩種屬性結(jié)合的嘗試仍在艱難進(jìn)行。作為麻省理工學(xué)院Francisco Martin-Martinez團(tuán)隊(duì)的一名研究人員，告訴nanotechweb.org，“氧化石墨烯(GO)可能比石墨烯更容易制造，但它的這些性能更弱。將2D GO圖紙組裝成可以覆蓋厘米而不僅是微米的薄膜 - “GO紙” - 使強(qiáng)度仍然進(jìn)一步受損。
Martin-Martinez說(shuō)：“這是聚多巴胺(PDA)進(jìn)入這個(gè)游戲的地方，”它描述了聚合物如何受到貽貝螺紋粘附性能的啟發(fā)?？紤]到在潮汐沖擊的沖擊下，頑固的貽貝如何與巖石和其他海岸建筑結(jié)合，很容易看出為什么這些軟體動(dòng)物的粘合強(qiáng)度可能會(huì)刺激了團(tuán)隊(duì)理念。
Martin-Martinez補(bǔ)充說(shuō)：“此外，我們也受到珍珠層(珍珠母)的結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，其類似于磚和砂漿的配置，具有出色的機(jī)械性能。” “因此，由從自然系統(tǒng)中獲得的大量靈感，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)珍珠母啟發(fā)式GO-(貽貝靈感)PDA納米復(fù)合材料，其確實(shí)具有比原始的GO薄膜更好的機(jī)械性能。”
雖然其他組織已研究了PDA復(fù)合材料，但以前的工作已經(jīng)被限于實(shí)驗(yàn)。正如報(bào)告的第一作者陳俊德所指出的那樣，對(duì)于PDA的聚合機(jī)理和PDA與GO之間的化學(xué)反應(yīng)的聚合機(jī)理已經(jīng)取代了以前的系統(tǒng)建模嘗試。麻省理工學(xué)院的研究人員能夠圍繞這一點(diǎn)創(chuàng)建分子模型，然后從實(shí)驗(yàn)和材料表征反饋到模型中。
Martin-Martinez說(shuō)：“這代表了一種先進(jìn)的預(yù)測(cè)工具，這通過(guò)減少將原子設(shè)計(jì)納入制造過(guò)程所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)使材料的生產(chǎn)更有效率。
從模型到粘合機(jī)理
研究人員確定了5,6-二羥基吲哚(DHI)的最具反應(yīng)活性的位置，且PDA從GO和多巴胺的溶液中自聚合或與GO反應(yīng)時(shí)在這里形成共價(jià)鍵。然后他們使用PDA的基本建塊簡(jiǎn)化了該聚合過(guò)程的模型。
通過(guò)將不同濃度的水引入到他們的模型，研究人員可以確定濕度對(duì)GO層和層間間距之間氫鍵相互作用的影響。他們還確定了由于片材上的應(yīng)力不均勻?qū)е碌腉O-PDA納米復(fù)合材料的濕度驅(qū)動(dòng)收縮機(jī)理。他們研究了使用這些模型相鄰層被拉向相反方向的納米復(fù)合材料的強(qiáng)度，與GO相比，GO-PDA納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的韌性以及隨濕度增加而增加的強(qiáng)度。
結(jié)果與以前的假設(shè)對(duì)比，這表明這些復(fù)合材料的強(qiáng)度主要源于共價(jià)交聯(lián)。 Buehler及其團(tuán)隊(duì)使用的模型不包括這些共價(jià)交聯(lián)，而GO-PDA在模擬中的粘合強(qiáng)度仍然超過(guò)GO，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了較好的比較，表明共價(jià)交聯(lián)對(duì)材料的機(jī)械強(qiáng)度造成了可忽略的影響。
“自下而上的設(shè)計(jì)”未來(lái)潛力
研究人員承認(rèn)模型中的某些限制，但仍然對(duì)基于模擬和實(shí)驗(yàn)的“自下而上設(shè)計(jì)”方法的廣泛應(yīng)用充滿信心。陳說(shuō)“從模擬過(guò)程中，即使我們?cè)谀M中無(wú)法獲得實(shí)際的強(qiáng)度和模擬的韌性，我們?nèi)钥梢灾滥姆N材料設(shè)計(jì)產(chǎn)生更高的機(jī)械性能”。就像在GO-PDA中一樣，可能還有許多其他材料的濕度在機(jī)械性能方面濕度起著至關(guān)重要的作用。
沒(méi)有參與麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)最近的工作，但是在奧斯汀的德克薩斯大學(xué)的研究也專注于石墨烯復(fù)合材料的Rodney Ruoff說(shuō)“作者報(bào)告說(shuō)，與其他珍珠母模擬物相比，這種材料具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和韌性，而且他們的模型未來(lái)可能會(huì)有改進(jìn)，”，“如果看到能夠在未來(lái)可以實(shí)現(xiàn)由濕度折疊控制的自折疊結(jié)構(gòu)將是非常有趣的。”
未來(lái)的工作將重點(diǎn)是改進(jìn)PDA的模式，探索其他生物啟發(fā)材料，繼續(xù)開(kāi)展更現(xiàn)實(shí)的模型，以及其合成策略來(lái)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方面。
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