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(qiáng)，但由于石墨烯很薄，它仍然會(huì)被撕裂和撕裂。“鋼筋石墨烯”是混凝土中鋼筋的納米級(jí)類似物，嵌入式“鋼筋”增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和耐久性。由化學(xué)家James Tour于2014年開發(fā)的“鋼筋石墨烯”使用碳納米管進(jìn)行增強(qiáng)。

    在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志ACS Nano（《通過整合碳納米管增韌石墨烯》）的一項(xiàng)新研究中，萊斯大學(xué)材料科學(xué)家Jun Lou及合作者通過壓力測(cè)試的“鋼筋石墨烯”，發(fā)現(xiàn)納米管鋼筋可以轉(zhuǎn)移和橋接石墨烯中裂縫，否則裂縫將在未增強(qiáng)的石墨烯中傳播。

    這種納米管有助于石墨烯保持拉伸，并減少裂紋的影響。這不僅對(duì)靈活的電子產(chǎn)品有用，而且對(duì)電活性可穿戴設(shè)備或其他需要耐壓、靈活性、透明性和機(jī)械穩(wěn)定性的設(shè)備也很有用。實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械測(cè)試和布朗大學(xué)（Brown University）的分子動(dòng)力學(xué)模擬都揭示了這種材料的韌性。

    研究人員介紹，石墨烯的優(yōu)異導(dǎo)電性使其成為器件的有力候選者，但其脆性本身就是一個(gè)缺點(diǎn)。兩年前，實(shí)驗(yàn)室報(bào)告表明，原始石墨烯的強(qiáng)度“遠(yuǎn)低于其報(bào)告的內(nèi)在強(qiáng)度”。在后來的一項(xiàng)研究中，實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，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(xué)材料科學(xué)家在電子顯微鏡下測(cè)試后的“鋼筋石墨烯”樣品。它顯示了裂縫如何以鋸齒形方式傳播，而不是直線傳播。（圖片來源：Emily Hacopian / Lou Group）

    該團(tuán)隊(duì)對(duì)“鋼筋石墨烯”進(jìn)行了類似的測(cè)試，通過將單壁納米管旋涂到銅基板上并通過化學(xué)氣相沉積在其表面生長(zhǎng)石墨烯。

    為了對(duì)“鋼筋石墨烯”進(jìn)行壓力測(cè)試，研究人員把它拉成碎片并測(cè)量施加的力。通過反復(fù)試驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了一種方法，可以切割材料的微小部分，并將其安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，以便與掃描電子和透射電子顯微鏡一起使用。

    實(shí)驗(yàn)中，“鋼筋”沒有保持石墨烯不會(huì)受到最終的破壞，但是納米管通過迫使裂紋在擴(kuò)散過程中的彎曲和凹凸不平而減緩了這一過程。當(dāng)力太弱而不能完全破壞石墨烯時(shí)，納米管有效地橋接裂紋，在某些情況下保持了材料的導(dǎo)電性。

    在早期的測(cè)試中，該實(shí)驗(yàn)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(rèn)為：“這些模擬非常重要，因?yàn)樗鼈冏屛覀兡軌蛟跁r(shí)間尺度上看到我們使用顯微鏡技術(shù)無法獲得的過程。”鋼筋石墨烯“的結(jié)果是許多新材料表征的第一步。我們希望這開啟了人們可以為應(yīng)用設(shè)計(jì)2D材料特征的方向。”

    參考來源：萊斯大學(xué)（智識(shí)咨詢編譯）

    文獻(xiàn)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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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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