Ny undersøgelse viser, at foldning af grafen forbedrer den mekaniske ydeevne betydeligt

Et internationalt forskerteam, tilknyttet UNIST har opdaget, at foldning er en effektiv strategi til at inkorporere monolags grafenfilm med store arealer på polymerkompositter, og at det forbedrer mekanisk forstærkning. Deres arbejde er blevet offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift, Fremskridt Materialer .

Et stykke papir, der er foldet over mange gange, kan bære mere vægt end et fladt ark med samme længde. Tilsvarende foldning kan også forbedre grafens mekaniske egenskaber.

Et internationalt forskerteam, tilknyttet UNIST har opdaget, at foldning er en effektiv strategi til at inkorporere monolags grafenfilm med store arealer på polymerkompositter, og at det forbedrer mekanisk forstærkning.

Dette gennembrud er blevet ledet af fremragende professor Rodney S. Ruoff og hans forskningsgruppe fra Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), inden for Institute for Basic Science (IBS) på UNIST. Professor Nicola Pugno fra University of Trento i Italien, og professor Seunghwa Ryu og Dr. Stefano Signetti fra KAIST, gav teori og modellering, der supplerede de eksperimentelle resultater fra professor Ruoffs gruppe.

Forskningsgruppen rapporterede, at det var lykkedes at folde en A5-størrelse, 400 nanometer tyk polycarbonatfilm i halve 12 gange. Deres fund viste, at denne nye tilgang ved hjælp af foldning giver betydelig ekstra afstivning, styrkelse, og hærdning af det sidste kompositstykke, der indeholder det foldede grafen.

"Dette arbejde stammer fra min interesse for foldning. Da Britney Gallivan var gymnasieelev i Californien tilbage i 2002, hun demonstrerede, at et enkelt stykke papir, omkring 1, 200 meter i længden, kunne foldes halvt tolv gange, "siger fornemme professor Ruoff." Inden hun lykkedes det, man har traditionelt troet, at det maksimale antal gange, at papir eller andre materialer kan foldes halvt, var 7 - også af datidens bedste matematikere. "

"Professor Ruoff og jeg besluttede at prøve at folde grafen, med et tyndt polymerlag fastgjort til det, så vi også kunne forsøge at opnå 12 folder, men fra et meget mindre startark af materiale, "siger Dr. Bin Wang, en IBS Research Fellow og den første forfatter til undersøgelsen.

Ved hjælp af en vand-luft-grænseflade, Dr. Wang foldede først en A5-størrelse, 400-nanometer tyk polycarbonatfilm på det halve 12 gange, giver et millimeter-tykt massemateriale-en interessant bedrift i sig selv. Derefter 'fyldte' han monolags grafenfilm med stort område i det foldede laminat ved at starte med en A5-størrelse 400 nanometer tyk polycarbonatfilm, men nu belagt med et enkelt lag A5-størrelse grafen, der var blevet dyrket ved kemisk dampaflejring af professor Haofei Shi og kolleger fra Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology i Kina.

"Når der trækkes på, grafen er blandt de stiveste materialer, og hvis det kan gøres fri for defekter, vil det være et af de stærkeste materialer. Derfor, optimering af dets inkorporering i kompositter til forstærkning er en vigtig videnskabelig udfordring, "siger fornemme professor Ruoff." Dr. Wang foldede også dette A5-størrelse dobbeltlagsark af polycarbonat og grafen 12 gange, hvilket betyder, at der var 2^12, således 4096 lag af grafen til stede i den endelige sammensatte struktur, der havde laterale dimensioner på ca. 3 mm x 2 mm med en tykkelse på ~ 3 mm. "

Større længde x bredde (det ville også være tyndere) prøver af den sidste foldede prøve var nødvendige for mekanisk testning. Wang lavede således en række prøver hver med 10 folder (frem for 12), og brugte en 'trepunkts bøjningstest' til at studere deres mekaniske respons. Med en bemærkelsesværdig lav volumenfraktion af grafen på kun 0,085% (mindre end 1 del i 1000), den unges modul (egenstivhed), styrke (stress, som materialet går i stykker), og sejhedsmodul (energi forbrugt ved at bryde prøven) blev forbedret i den foldede komposit med et gennemsnit på 73,5%, 73,2%, og 59,1%, henholdsvis. Alene fra grafenfolderne steg Youngs modul med 24,2%, styrke med 25,4%, og sejhedsmodul med 14,5%. Bemærk, at disse værdier er lavere grænser, fra holdets modellering. Således blev der fundet en bemærkelsesværdig mekanisk forstærkning fra den kombinerede foldning og stabling af grafen.

Disse eksperimentelle resultater er også blevet rationaliseret med teori kombineret med modellering leveret af professor Pugnos gruppe fra University of Trento i Italien. "Folden spiller en særlig rolle i afstivning og styrkelse af kompositmaterialet, "siger professor Pugno." Den foldede struktur kan opretholde en større bøjningskraft sammenlignet med analogen af ​​stablede, men frakoblede lag, hvilket kan forklares ved den forbedrede lag-lag-interaktion, der genereres af den eller de yderligere begrænsninger af folderne. "

Professor Ryu og Dr. Stefano Signetti fra KAIST, der leverede teorien, brugte endelig elementmodellering (FEM) til at simulere bøjningen af ​​de foldede laminater og opdagede, at den foldede konfiguration giver meget højere bøjningsstivhed i forhold til den stablede konfiguration med de tilsvarende 1024 lag af indlejret grafen. "Den yderligere begrænsning, som folderne giver, resulterer i både højere specifik deformationsenergi, der er lagret i den sammensatte plade, og også højere bøjningskraft ved den samme pålagte forskydning sammenlignet med pladen med det samme antal stablede lag, men uden folderne, "siger Dr. Signetti, en postdoktor fra KAIST.

"De modeller, der præsenteres i dette arbejde, kan være nyttige til design af andre slags todimensionelle materialer indlejret i flerlags tredimensionelle kompositter, som kan realiseres i stor størrelse, "siger fornemme professor Ruoff." Udover den mekaniske forstærkning, der er andre potentielle anvendelser af de foldede laminater. "

Dr. Wang bemærkede endvidere, at "Ved at kombinere forskellige todimensionale nanomaterialer, der bidrager med særlig funktionalitet, foldning kan bruges til at opnå materialer i makroskala til mange andre potentielle applikationer, herunder men ikke begrænset til energilagring og konvertering, og termisk styring. "