出比鋼鐵更堅固的輕質二維材料

來自萊斯大學和馬里蘭大學的科學家們帶頭努力克服了一個主要障礙。盡管被認為是地球上最強的一些物質，但利用它們的全部潛力已被證明是一項困難的任務。比最薄的洋蔥皮紙還要細的二維材料，由于其顯著的機械屬性，已經獲得了極大的關注。然而，當這些材料被分層時，這些特性就會消失，從而限制了其實際應用。

研究人員已經開發出一種方法，在多層堆疊時保留被稱為共價有機框架（COFs）的二維聚合物的機械性能。通過調整其分子結構，該團隊創造了一種輕質材料，其強度是鋼的數倍，即使在多層形式下也能保持其二維特性。潛在的應用包括過濾膜和升級的電池。這項研究還可以影響陶瓷和金屬的設計，有可能使它們在較低的溫度下制造和修復。

"想想石墨鉛筆，"馬里蘭大學（UMD）機械工程系的基石教授Teng Li說。"它的核心是由石墨制成的，而石墨是由許多層石墨烯組成的，石墨烯已被發現是世界上最堅硬的材料。然而，石墨鉛筆在所有的事實中并不強大，石墨甚至被用作潤滑劑。"

現在，李和萊斯大學和休斯頓大學的合作者已經找到了克服這一障礙的方法，通過仔細調整被稱為共價有機框架（COFs）的二維聚合物的分子結構。這些發現在發表于《美國國家科學院院刊》的一項新研究中得到了詳細說明。領導萊斯大學團隊的萊斯大學材料科學和納米工程教授Jun Lou說："這是一個非常令人興奮的起點。"

利用分子水平的模擬，研究人員研究了不同的官能團--即分子元素的排列，然后設計了兩種結構上有細微差別的COFs。然后他們研究了COFs在堆疊成層時的表現。結果發現，微小的結構差異導致了明顯不同的結果。

第一個COF，像大多數二維材料一樣，只顯示了層與層之間的微弱相互作用，而且隨著層數的增加，強度和彈性都會下降。PNAS論文的共同作者、萊斯大學博士生Qiyi Fang說："第二種COF則不同，它表現出強烈的層間相互作用，即使添加多層也能保持其良好的機械性能。"

根據研究人員的說法，這種現象很可能是由于氫鍵的作用。"我們從模擬中發現，第二類COF中的強層間相互作用是由于其特殊官能團之間的氫鍵明顯增強，"共同第一作者、UMD博士后研究員和李的研究小組成員彭正謙說。

應用他們的發現，研究小組隨后生產了一種輕質材料，它不僅比鋼強數倍，而且即使在堆積成多層時也能保持其二維特性。

其潛在的應用有很多。"COFs可以成為優秀的過濾膜，"萊斯的Lou說。"對于一個過濾系統來說，孔隙的官能團結構將是非常重要的。比如說，當你有臟水通過COF膜時，孔隙處的官能團將只捕獲雜質，而允許所需的分子通過。在這個過程中，該膜的機械完整性將是非常重要的。現在我們有辦法設計出非常堅固、非常抗斷裂的多層二維聚合物，它們可以成為膜過濾應用的非常好的候選者。"

另一個潛在的應用是用于升級電池：用硅取代石墨陽極將大大增加當前鋰離子電池技術的存儲容量。

從這項研究中得到的啟示還可能導致在設計廣泛的材料方面取得進展，包括陶瓷和金屬。例如，陶瓷依賴于在非常高的溫度下形成的離子鍵，這就是為什么破碎的咖啡杯不容易被修復。同樣，金屬也需要在高溫下鍛造。通過研究人員正在探索的分子調整，可以想象類似的產品可以被制造和修復，而不需要調高溫度。

雖然眼前的背景是二維材料，但更廣泛地說，研究人員正在開拓利用材料的有利特性而不受這些材料的限制的方法。