Stærkere grafenoxidpapir lavet med svagere enheder

Vil du lave et superstærkt materiale af byggeklodser i nanoskala? Start med byggeklodser af højeste kvalitet, ret?

Forkert – i hvert fald når du arbejder med "flager" af grafenoxid (GO).

En ny undersøgelse fra forskere fra Northwestern University viser, at bedre GO "papir" kan laves ved at blande stærke, solide GO-flager med svage, porøse GO-flager. Fundet vil hjælpe med produktionen af ​​GO-materialer af højere kvalitet, og det kaster lys over et generelt problem inden for materialeteknik:hvordan man bygger et materiale i nanoskala til et makroskopisk materiale uden at miste dets ønskelige egenskaber.

"For at sige det i menneskelige termer, samarbejde er meget vigtigt, " sagde Jiaxing Huang, Northwestern Engineering professor i materialevidenskab og teknik, der ledede undersøgelsen. "Fremragende spillere kan stadig lave et dårligt hold, hvis de ikke fungerer godt sammen. Her, vi tilføjer nogle tilsyneladende svagere spillere, og de styrker hele holdet."

Forskningen var et fire-vejs samarbejde. Ud over Huangs, tre andre grupper deltog, ledet af Horacio Espinosa, professor i maskinteknik ved McCormick School of Engineering; SonBinh Nguyen, professor i kemi ved Northwestern; og Tae Hee Han, en tidligere postdoc-forsker ved universitetet, som nu er professor i organisk og nanoteknik ved Hanyang University, Sydkorea.

Undersøgelsen blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Højteknologisk papir

GO er et derivat af grafit, der kan bruges til at lave den todimensionelle, super materiale grafen. Da GO er nemmere at lave, videnskabsmænd studerer det som et modelmateriale. Det kommer generelt som en dispersion af små flager i vand. Fra den ene ende til den anden, hver flage er mindre end bredden af ​​et menneskehår og kun en nanometer tyk.

Når en opløsning af GO-flager hældes på et filter og vandet fjernes, der dannes et tyndt "papir", sædvanligvis nogle få inches i diameter med en tykkelse mindre end eller lig med 40 mikrometer. Intermolekylære kræfter holder flagerne sammen, intet mere.

Styrke fra svaghed

Forskere kan lave stærk GO i enkeltlag, men at lagde flagerne i en papirform fungerer ikke så godt. Mens man tester virkningen af ​​huller på styrken af ​​GO-flager, Huang og hans samarbejdspartnere fandt en løsning.

Ved at bruge en blanding af ammoniak og hydrogenperoxid, forskerne kemisk "ætset" huller i GO-flagerne. Flager efterladt i blød i en til tre timer var drastisk svagere end uætsede flager. Efter fem timers iblødsætning, flager blev så svage, at de ikke kunne måles.

Derefter, holdet fandt noget overraskende:Papir lavet af de svækkede flager var stærkere end forventet. På enkeltlagsniveau, en times ætsede porøse flager, for eksempel, var 70 procent svagere end faste flager, men papir lavet af disse flager var kun 10 procent svagere end papir lavet af solide flager.

Tingene blev endnu mere interessante, da holdet blandede faste og porøse flager sammen, sagde Huang. I stedet for at svække papiret udelukkende af faste flager, tilføjelsen af ​​10 eller 25 procent af de svageste flager styrkede den med omkring 95 og 70 procent, henholdsvis.

Effektiv forbindelse

Hvis GO-plader kan sammenlignes med aluminiumsfolie, Huang sagde, at lave et GO-papir er ligesom at stable folien op for at lave en tyk aluminiumsplade. Hvis du starter med store ark aluminiumsfolie, chancerne er gode for, at mange rynker, hindrer tæt pakning mellem pladerne. På den anden side, mindre ark rynker ikke så let. De pakker godt sammen, men skaber stramme stakke, der ikke integreres godt med andre stramme stakke, skabe hulrum i GO-papir, hvor det nemt kan gå i stykker.

"Svage flager deformeres for at udfylde disse tomrum, hvilket forbedrer fordelingen af ​​kræfter i hele materialet, " sagde Huang. "Det er en påmindelse om, at styrken af ​​individuelle enheder kun er en del af ligningen; effektiv forbindelse og stressfordeling er lige så vigtig."

Denne opdagelse vil være direkte anvendelig på andre todimensionelle materialer, som grafen, Huang sagde, og vil også føre til design af GO-produkter af højere kvalitet. Han håber at teste det af på GO-fibre næste gang.