石墨烯的昂貴使得其即使有著高強度和韌性等優(yōu)勢，也不能為航空航天、自動化、基礎設施和交通運輸?shù)瘸浞掷谩，F(xiàn)在，由Markus Buehler領導的麻省理工學院的研究人員通過實驗和模擬來設計一種基于氧化石墨烯的復合材料，這種材料針對強度和韌性進行了優(yōu)化，并展示了濕度如何改善這些性能。
水對層間距的影響。(a)不同含水量的GO和GO-PDA型號的快照。 為清楚起見，PDA(DHI單位)顯示為橙色，水分子以藍色顯示。(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。
人造材料可以是堅硬的或強韌的，但迄今為止，為使兩種屬性結合的嘗試仍在艱難進行。作為麻省理工學院Francisco Martin-Martinez團隊的一名研究人員，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” - 使強度仍然進一步受損。
Martin-Martinez說：“這是聚多巴胺(PDA)進入這個游戲的地方，”它描述了聚合物如何受到貽貝螺紋粘附性能的啟發(fā)。考慮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合，很容易看出為什么這些軟體動物的粘合強度可能會刺激了團隊理念。
Martin-Martinez補充說：“此外，我們也受到珍珠層(珍珠母)的結構的啟發(fā)，其類似于磚和砂漿的配置，具有出色的機械性能。” “因此，由從自然系統(tǒng)中獲得的大量靈感，我們設計了一個珍珠母啟發(fā)式GO-(貽貝靈感)PDA納米復合材料，其確實具有比原始的GO薄膜更好的機械性能。”
雖然其他組織已研究了PDA復合材料，但以前的工作已經(jīng)被限于實驗。正如報告的第一作者陳俊德所指出的那樣，對于PDA的聚合機理和PDA與GO之間的化學反應的聚合機理已經(jīng)取代了以前的系統(tǒng)建模嘗試。麻省理工學院的研究人員能夠圍繞這一點創(chuàng)建分子模型，然后從實驗和材料表征反饋到模型中。
Martin-Martinez說：“這代表了一種先進的預測工具，這通過減少將原子設計納入制造過程所需的實驗次數(shù)使材料的生產更有效率。
從模型到粘合機理
研究人員確定了5,6-二羥基吲哚(DHI)的最具反應活性的位置，且PDA從GO和多巴胺的溶液中自聚合或與GO反應時在這里形成共價鍵。然后他們使用PDA的基本建塊簡化了該聚合過程的模型。
通過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力不均勻導致的GO-PDA納米復合材料的濕度驅動收縮機理。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合材料的強度，與GO相比，GO-PDA納米復合材料具有優(yōu)異的韌性以及隨濕度增加而增加的強度。
結果與以前的假設對比，這表明這些復合材料的強度主要源于共價交聯(lián)。 Buehler及其團隊使用的模型不包括這些共價交聯(lián)，而GO-PDA在模擬中的粘合強度仍然超過GO，通過實驗進行了較好的比較，表明共價交聯(lián)對材料的機械強度造成了可忽略的影響。
“自下而上的設計”未來潛力
研究人員承認模型中的某些限制，但仍然對基于模擬和實驗的“自下而上設計”方法的廣泛應用充滿信心。陳說“從模擬過程中，即使我們在模擬中無法獲得實際的強度和模擬的韌性，我們仍可以知道哪種材料設計產生更高的機械性能”。就像在GO-PDA中一樣，可能還有許多其他材料的濕度在機械性能方面濕度起著至關重要的作用。
沒有參與麻省理工學院團隊最近的工作，但是在奧斯汀的德克薩斯大學的研究也專注于石墨烯復合材料的Rodney Ruoff說“作者報告說，與其他珍珠母模擬物相比，這種材料具有更高的機械強度和韌性，而且他們的模型未來可能會有改進，”，“如果看到能夠在未來可以實現(xiàn)由濕度折疊控制的自折疊結構將是非常有趣的。”
未來的工作將重點是改進PDA的模式，探索其他生物啟發(fā)材料，繼續(xù)開展更現(xiàn)實的模型，以及其合成策略來改進實驗方面。
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