Grafenoxider hemmelige egenskaber afsløret på atomniveau

Siden dens opdagelse, grafen har fanget forskernes og ingeniørernes opmærksomhed for sine mange ekstraordinære egenskaber. Men grafenoxid - et oxideret derivat af grafen - er stort set blevet betragtet som grafens ringere fætter.

"Graphene er så perfekt, "sagde Northwestern Engineering's Jiaxing Huang." Og grafenoxid er mere defekt, så det er ligesom den svagere, mindre spændende version af grafen. "

Nu har et team fra Northwestern University fundet ud af, at grafenoxids tilsyneladende uønskede defekter overraskende giver anledning til spændende mekaniske egenskaber. Anført af Horacio Espinosa, James N. og Nancy J. Farley professor i fremstilling og iværksætteri ved Northwestern's McCormick School of Engineering, forskerne brugte en unik eksperimenterings- og modelleringsmetode til at blive de første til at undersøge mekanikken i dette tidligere ignorerede materiale på atomniveau. Det, de opdagede, kunne muligvis låse op for hemmeligheden for en vellykket opskalering af grafenoxid, et område, der har været begrænset, fordi dets byggesten ikke er blevet godt forstået.

"Vores team opdagede, at grafenoxid udviser bemærkelsesværdig plastisk deformation, før det brydes, "sagde Espinosa." Graphen er meget stærk, men det kan pludselig gå i stykker. Vi fandt ud af, at grafenoxid, imidlertid, deformeres først, inden det til sidst går i stykker. "

Huang sammenligner forskellen i materialernes egenskaber med almindelige objekter. "Keramik er stærkt, " han siger, "men hvis du bryder det, det vil knuse. Hvis der nu presses en plastikkop, den vil bøje, før den klikker. "

Understøttet af Army Research Office og National Science Foundation's Design Materials to Revolutionize and Engineer Our Future program, forskningen er beskrevet i 20. august -udgaven af Naturkommunikation . Ud over Espinosa, Northwestern Engineering's Jiaxing Huang, lektor i materialevidenskab og teknik, og SonBinh T. Nguyen, professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences, er medforstander for projektet. Postdoktor Xiaoding Wei og kandidatstuderende Rafael A. Soler-Crespo og Lily Mao er co-første forfattere af papiret.

Holdet fandt ud af, at grafenoxids plasticitet skyldes en usædvanlig mekanokemisk reaktion. Graphenoxid består af to carbonatomer og et oxygenatom, en formation kendt som et epoxid. Dette kan forestilles som en trekant med to carbonatomer i bunden og et oxygenatom øverst. Når et epoxids bindinger brydes kemisk, kulstof-iltbindinger brydes, efterlader kulstof-kulstofbindingen i takt. Forskergruppen, imidlertid, fandt ud af, at når en mekanisk kraft blev påført grafenoxid, kulstof-kulstofbindingen brød først, efterlader carbon-oxygen-bindingerne på plads.

"Vi afdækkede denne overraskelse på atomskala, "Nguyen sagde." Dette er helt anderledes end hvad der forekommer i andre materialer og en meget usædvanlig egenskab for grafenoxidarket. "

At vide, hvordan grafenoxid fungerer i atomskala, kan give forskere mulighed for at justere materialets egenskaber. Det nordvestlige team udvider nu sin forskning til at forstå de mekaniske egenskaber ved grafenoxid-polymer-grænseflader, hvilket er afgørende for at skalere materialet op.

"Vores undersøgelser indebærer, at svarene på opskalering af grafenoxid kan lyve, delvis, til kemien på atomniveau, "Espinosa sagde." Med flere oplysninger opnået i forskellige længder og fremskridt inden for syntesemetoder, vi vil til sidst dele puslespillet sammen. "