研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種方法，在多層堆疊時(shí)保留被稱(chēng)為共價(jià)有機(jī)框架（COFs）的二維聚合物的機(jī)械性能。通過(guò)調(diào)整其分子結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種輕質(zhì)材料，其強(qiáng)度是鋼的數(shù)倍，即使在多層形式下也能保持其二維特性。潛在的應(yīng)用包括過(guò)濾膜和升級(jí)的電池。這項(xiàng)研究還可以影響陶瓷和金屬的設(shè)計(jì)，有可能使它們?cè)谳^低的溫度下制造和修復(fù)。
"想想石墨鉛筆，"馬里蘭大學(xué)（UMD）機(jī)械工程系的基石教授Teng Li說(shuō)。"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(fā)現(xiàn)是世界上最堅(jiān)硬的材料。然而，石墨鉛筆在所有的事實(shí)中并不強(qiáng)大，石墨甚至被用作潤(rùn)滑劑。"
現(xiàn)在，李和萊斯大學(xué)和休斯頓大學(xué)的合作者已經(jīng)找到了克服這一障礙的方法，通過(guò)仔細(xì)調(diào)整被稱(chēng)為共價(jià)有機(jī)框架（COFs）的二維聚合物的分子結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)在發(fā)表于《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》的一項(xiàng)新研究中得到了詳細(xì)說(shuō)明。領(lǐng)導(dǎo)萊斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)的萊斯大學(xué)材料科學(xué)和納米工程教授Jun Lou說(shuō)："這是一個(gè)非常令人興奮的起點(diǎn)。"
研究人員發(fā)現(xiàn)的共價(jià)有機(jī)框架材料的一個(gè)樣品，作為多層堆疊，保留了其二維機(jī)械性能。資料來(lái)源：Gustavo Raskosky/萊斯大學(xué)
利用分子水平的模擬，研究人員研究了不同的官能團(tuán)--即分子元素的排列，然后設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)上有細(xì)微差別的COFs。然后他們研究了COFs在堆疊成層時(shí)的表現(xiàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微小的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了明顯不同的結(jié)果。
第一個(gè)COF，像大多數(shù)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(shù)的增加，強(qiáng)度和彈性都會(huì)下降。PNAS論文的共同作者、萊斯大學(xué)博士生Qiyi Fang說(shuō)："第二種COF則不同，它表現(xiàn)出強(qiáng)烈的層間相互作用，即使添加多層也能保持其良好的機(jī)械性能。"
根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這種現(xiàn)象很可能是由于氫鍵的作用。"我們從模擬中發(fā)現(xiàn)，第二類(lèi)COF中的強(qiáng)層間相互作用是由于其特殊官能團(tuán)之間的氫鍵明顯增強(qiáng)，"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(shuō)。
應(yīng)用他們的發(fā)現(xiàn)，研究小組隨后生產(chǎn)了一種輕質(zhì)材料，它不僅比鋼強(qiáng)數(shù)倍，而且即使在堆積成多層時(shí)也能保持其二維特性。
其潛在的應(yīng)用有很多。"COFs可以成為優(yōu)秀的過(guò)濾膜，"萊斯的Lou說(shuō)。"對(duì)于一個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，孔隙的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)將是非常重要的。比如說(shuō)，當(dāng)你有臟水通過(guò)COF膜時(shí)，孔隙處的官能團(tuán)將只捕獲雜質(zhì)，而允許所需的分子通過(guò)。在這個(gè)過(guò)程中，該膜的機(jī)械完整性將是非常重要的。現(xiàn)在我們有辦法設(shè)計(jì)出非常堅(jiān)固、非常抗斷裂的多層二維聚合物，它們可以成為膜過(guò)濾應(yīng)用的非常好的候選者。"
另一個(gè)潛在的應(yīng)用是用于升級(jí)電池：用硅取代石墨陽(yáng)極將大大增加當(dāng)前鋰離子電池技術(shù)的存儲(chǔ)容量。
從這項(xiàng)研究中得到的啟示還可能導(dǎo)致在設(shè)計(jì)廣泛的材料方面取得進(jìn)展，包括陶瓷和金屬。例如，陶瓷依賴(lài)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(fù)。同樣，金屬也需要在高溫下鍛造。通過(guò)研究人員正在探索的分子調(diào)整，可以想象類(lèi)似的產(chǎn)品可以被制造和修復(fù)，而不需要調(diào)高溫度。
雖然眼前的背景是二維材料，但更廣泛地說(shuō)，研究人員正在開(kāi)拓利用材料的有利特性而不受這些材料的限制的方法。
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