Nanorørsarmeringsjern gør grafen dobbelt så sejt

Forskere fra Rice University har fundet ud af, at brudbestandigt "armeringsjernsgrafen" er mere end dobbelt så hårdt som uberørt grafen.

Grafen er en et-atom-tyk plade af kulstof. På den todimensionelle skala, materialet er stærkere end stål, men fordi grafen er så tyndt, det er stadig udsat for rivning og rivning.

Armeringsjernsgrafen er analogen af ​​armeringsjern (armeringsstænger) i nanoskala i beton, hvori indstøbte stålstænger øger materialets styrke og holdbarhed. armeringsjernsgrafen, udviklet af Rice lab af kemiker James Tour i 2014, bruger kulstof nanorør til forstærkning.

I en ny undersøgelse i tidsskriftet American Chemical Society ACS Nano , Rismaterialeforsker Jun Lou, kandidatstuderende og hovedforfatter Emily Hacopian og samarbejdspartnere, inklusive rundvisning, stresstestet armeringsjernsgrafen og fandt ud af, at nanorørsarmeringsjern afledte og slog bro over revner, der ellers ville forplante sig i uarmeret grafen.

Eksperimenterne viste, at nanorør hjælper grafen med at holde sig strækbart og reducerer også virkningerne af revner. Det kunne være nyttigt ikke kun for fleksibel elektronik, men også elektrisk aktive wearables eller andre enheder, hvor stresstolerance, fleksibilitet, gennemsigtighed og mekanisk stabilitet ønskes, sagde Lou.

Både laboratoriets mekaniske test og simuleringer af molekylær dynamik udført af samarbejdspartnere ved Brown University afslørede materialets sejhed.

Grafens fremragende ledningsevne gør det til en stærk kandidat til enheder, men dens skøre natur er en ulempe, sagde Lou. Hans laboratorium rapporterede for to år siden, at grafen kun er så stærk som dets svageste led. Disse test viste, at styrken af ​​uberørt grafen var "væsentligt lavere" end dens rapporterede iboende styrke. I en senere undersøgelse, laboratoriet fandt molybdændiselenid, et andet todimensionelt materiale af interesse for forskere, er også skørt.

Tour henvendte sig til Lou og hans gruppe for at udføre lignende tests på armeringsjernsgrafen, lavet ved at spin-coating enkeltvæggede nanorør på et kobbersubstrat og dyrke grafen oven på dem via kemisk dampaflejring.

For at stressteste armeringsjernsgrafen, Hacopian, Yang og kolleger måtte trække den i stykker og måle den kraft, der blev påført. Gennem forsøg og fejl, laboratoriet udviklede en måde at skære mikroskopiske stykker af materialet på og montere det på en testleje til brug med scanningselektron- og transmissionselektronmikroskoper.

"Vi kunne ikke bruge lim, så vi var nødt til at forstå de intermolekylære kræfter mellem materialet og vores testenheder, " sagde Hacopian. "Med så skrøbelige materialer, det er virkelig svært."

Armeringsjern holdt ikke grafen fra ultimativ fiasko, men nanorørene bremsede processen ved at tvinge revner til at zig og zagge, mens de forplantede sig. Da kraften var for svag til fuldstændig at bryde grafenen, nanorør slog effektivt bro over revner og bevarede i nogle tilfælde materialets ledningsevne.

I tidligere test, Lous laboratorium viste, at grafen har en naturlig brudsejhed på 4 megapascal. I modsætning, armeringsjernsgrafen har en gennemsnitlig sejhed på 10,7 megapascal, han sagde.

Simuleringer af undersøgelsens medforfatter Huajian Gao og hans team hos Brown bekræftede resultater fra de fysiske eksperimenter. Gaos team fandt de samme effekter i simuleringer med ordnede rækker af armeringsjern i grafen som dem, der blev målt i de fysiske prøver med armeringsjern pegende hver vej.

"Simuleringerne er vigtige, fordi de lader os se processen på en tidsskala, der ikke er tilgængelig for os med mikroskopiteknikker, som kun giver os snapshots, " sagde Lou. "The Brown-teamet hjalp os virkelig med at forstå, hvad der sker bag tallene."

Han sagde, at armeringsgrafenresultaterne er et første skridt mod karakteriseringen af ​​mange nye materialer. "Vi håber, at dette åbner en retning, folk kan forfølge for at konstruere 2-D materialefunktioner til applikationer, " sagde Lou.

Hacopian, Yingchao Yang fra University of Maine og Bo Ni fra Brown University er co-lead forfattere af papiret. Medforfattere er Yilun Li, Hua Guo af ris, Xing Li fra Rice og Zhengzhou University og Qing Chen fra Peking University. Lou er professor i materialevidenskab og nanoteknik ved Rice. Tour er T.T. og W.F. Chao Chair i kemi og professor i datalogi og i materialevidenskab og nanoteknik Rice. Gao er Walter H. Annenberg professor i teknik ved Brown.