Работа описана на этой неделе в статье в Science Майкла Страно, профессора химического машиностроения Карбон П. Дуббса; постдок Пингвэй Лю; и 11 других студентов, докторантов и профессоров Массачусетского технологического института.Такие материалы, как графен, двумерная форма чистого углерода, и углеродные нанотрубки, крошечные цилиндры, которые по сути представляют собой свернутый графен, являются «одними из самых прочных и твердых материалов, которые у нас есть», — говорит Страно, потому что их атомы удерживаются вместе полностью углерод-углеродными связями, которые являются «самой прочной, которую дает нам природа», с которой можно работать химическими связями.
Итак, исследователи искали способы использования этих наноматериалов для увеличения прочности композитных материалов, подобно тому, как стальные стержни используются для армирования бетона.Самым большим препятствием был поиск способов упорядоченного встраивания этих материалов в матрицу из другого материала. Эти крошечные листы и трубки имеют сильную тенденцию к слипанию, поэтому просто смешать их с жидкой смолой до того, как она затвердеет, совершенно не сработает. Понимание команды MIT заключалось в том, чтобы найти способ создать большое количество слоев, уложенных совершенно упорядоченным образом, без необходимости складывать каждый слой по отдельности.
Хотя этот процесс более сложен, чем кажется, в его основе лежит техника, аналогичная той, что используется для изготовления сверхпрочных стальных лезвий меча, а также слоеного теста, который используется в пахлаве и наполеонах. Слой материала — будь то сталь, тесто или графен — распределяется ровно. Затем материал складывается вдвое, растирается или раскатывается, а затем снова и снова, и снова складывается вдвое.
С каждым сгибом количество слоев удваивается, что приводит к экспоненциальному увеличению количества слоев. Всего из 20 простых складок получится более миллиона идеально выровненных слоев.На наноуровне это не так. В этом исследовании, вместо того, чтобы складывать материал, команда разрезала весь блок, состоящий из чередующихся слоев графена и композитного материала, на четверти, а затем наложила одну четверть на другую, в четыре раза увеличив количество слоев. а затем повторить процесс.
Но результат был тот же: быстро изготовленный однородный пакет слоев, который уже внедрен в матричный материал, в данном случае поликарбонат, чтобы сформировать композит.В своих испытаниях на доказательство концепции команда Массачусетского технологического института произвела композиты, содержащие до 320 слоев графена, встроенных в них.
Они смогли продемонстрировать, что даже несмотря на то, что общее количество графена, добавленного к материалу, было незначительным — менее 1/10 процента по весу, это привело к явному повышению общей прочности.«Графен имеет практически бесконечное соотношение сторон», — говорит Страно, поскольку он бесконечно тонкий, но может иметь размеры, достаточно большие, чтобы его можно было увидеть и обработать. «Он может охватывать два измерения материала», даже несмотря на то, что его толщина составляет всего нанометры. Графен и несколько других известных двумерных материалов — «единственные известные материалы, которые могут это сделать», — говорит он.Команда также нашла способ делать структурированные волокна из графена, потенциально позволяя создавать пряжу и ткани со встроенными электронными функциями, а также еще один класс композитов.
В этом методе используется режущий механизм, похожий на нож для резки сыра, для отделения слоев графена таким образом, что они свертываются в спиральную форму, технически известную как спираль Архимеда.Это могло бы преодолеть один из самых больших недостатков графена и нанотрубок с точки зрения их способности вплетаться в длинные волокна: их чрезвычайную скользкость.
Поскольку они такие идеально гладкие, пряди скользят друг мимо друга, а не слипаются в пучок. И новые скрученные пряди не только решают эту проблему, но и чрезвычайно эластичны, в отличие от других сверхпрочных материалов, таких как кевлар. Это означает, что они могут быть вплетены в защитные материалы, которые могут «давать», не ломаясь.Одна неожиданная особенность новых слоистых композитов, по словам Страно, заключается в том, что графеновые слои, которые чрезвычайно электропроводны, сохраняют свою целостность на всем протяжении своего композитного образца без какого-либо короткого замыкания на соседние слои.
Так, например, просто вставив электрический зонд в стопку на определенную точную глубину, можно было бы однозначно «адресовать» любой из сотен слоев. По его словам, в конечном итоге это может привести к созданию новых видов сложной многослойной электроники.