Musling-inspireret defektteknologi forbedrer grafenfibrenes mekaniske styrke

Forskere har demonstreret den muslingeinspirerede forstærkning af grafenfibre til forbedring af materialeegenskaber. En forskergruppe under professor Sang Ouk Kim anvendte polydopamin som et effektivt infiltratbindemiddel for at opnå høje mekaniske og elektriske egenskaber for grafenbaserede flydende krystallinske fibre.

Denne bioinspirerede defektteknik kan tydeligt skelnes fra tidligere forsøg med isolerende bindemidler og har mulige anvendelser inden for fleksibel elektronik, multifunktionelle tekstiler, og bærbare sensorer. To-trins defektteknik adresserer den iboende begrænsning af grafenfibre, der opstår fra foldning og rynkning af grafenlag under fiberspinningsprocessen.

I 2009 forskergruppen opdagede grafenoxid flydende krystaller i vandige medier, mens de introducerede en effektiv oprensningsproces til at fjerne ioniske urenheder. Grafenfibre, typisk vådspundet fra vandig grafenoxid flydende krystaldispersion, forventes at demonstrere overlegen termisk og elektrisk ledningsevne samt fremragende mekanisk ydeevne.

Ikke desto mindre, på grund af den iboende dannelse af defekter og hulrum forårsaget af bøjning og rynkning af grafenoxidlaget i grafenfibre, deres mekaniske styrke og elektriske/termiske ledningsevner er stadig langt under de ønskede ideelle værdier. Derfor, at finde en effektiv metode til at konstruere de tætpakkede grafenfibre med stærk interlagsinteraktion er en væsentlig udfordring.

Professor Kims team fokuserede på adhæsionsegenskaberne af dopamin, en polymer udviklet med inspiration fra den naturlige musling, at løse problemet. Denne funktionelle polymer, som studeres på forskellige områder, kan øge vedhæftningen mellem grafenlagene og forhindre strukturelle defekter.

Det lykkedes professor Kims forskergruppe at fremstille flydende krystallinske fibre af højstyrke grafen med kontrollerede strukturelle defekter. De fremstillede også fibre med forbedret elektrisk ledningsevne gennem efter-karboniseringsprocessen af ​​polydopamin.

Baseret på teorien om, at dopamin med efterfølgende højtemperaturudglødning har en lignende struktur som grafen, holdet optimerede dopaminpolymerisationsbetingelser og løste de iboende defektkontrolproblemer i eksisterende grafenfibre. De bekræftede også, at dopamins fysiske egenskaber er forbedret med hensyn til elektrisk ledningsevne på grund af påvirkningen af ​​nitrogen i dopaminmolekyler, uden at beskadige ledningsevnen, som er den grundlæggende grænse for konventionelle polymerer.

Professor Kim, hvem ledede forskningen, sagde, "På trods af dets teknologiske potentiale, kulfiber, der bruger grafen flydende krystaller, har stadig grænser med hensyn til dets strukturelle begrænsninger." Denne teknologi vil blive anvendt til fremstilling af kompositfiber og forskellige bærbare tekstilbaserede applikationsenheder."