2D materijali dobijaju svoju snagu od svoje strukture poput lima tanke kao atom. Međutim, slaganje više slojeva 2D materijala će mu uništiti kvalitete koji ga čine tako korisnim.
Naučnik za materijale sa Univerziteta Rajs, Jun Lu i saradnici sa Univerziteta Merilend, pokazali su da fino podešavanje međuslojnih interakcija u klasi 2D polimera poznatih kao kovalentni organski okviri (COF) mogu odrediti gubitak materijala ili zadržavanje poželjnih mehaničkih svojstava u višeslojnim ili masovnim formu. U tom procesu, istraživači su konstruisali lagani materijal visoke čvrstoće i čvrstoće koji čuva svoja 2D svojstva čak i kao višeslojni sloj, prema studiji objavljenoj u Proceedings of the National Academi of Sciences.
Ovo otkriće je prvi korak ka omogućavanju upotrebe 2D polimera u velikim multifunkcionalnim aplikacijama gde su mehanička svojstva važna i koja bi mogla otvoriti vrata novim sistemima za filtriranje visokih performansi, tehnologijama za hvatanje ugljenika i skladištenje energije.
„Ovo je za nas veoma uzbudljiva polazna tačka“, rekao je Lu. „Zaista lepa stvar u vezi sa COF-ovima i drugim 2D polimerima je to što imate mnogo hemijskih dugmadi koje možete podesiti. To znači da možete racionalno da konstruišete međuslojne interakcije. U suštini, možete napraviti veoma jake modularne sisteme koristeći dizajn međuslojnih interakcija.“
Istraživači su pogledali kako se dva COF-a sa vrlo sličnim strukturama ponašaju kada je više slojeva složeno zajedno i otkrili su da je mala razlika u njihovoj strukturi dovela do potpuno različitih obrazaca međuslojne interakcije.
„Da biste uspešno dizajnirali COF sa poželjnim međuslojnim interakcijama, potreban vam je naučni uvid u materijalne strukture COF-a“, rekao je Teng Li, profesor mašinstva u Merilendu. „U tom cilju, oslanjamo se na prve principe simulacije COF materijala na molekularnoj skali da bismo ponudili ključne smernice za dizajn.“
Kiii Fang, Rice alum i ko-vodeći autor studije, rekao je da je laboratorija Rice dizajnirala dva tipa COF-a na osnovu naučnog uvida iz simulacija koje su razvile kolege u Merilendu.
„Jedan od COF-a, kao i većina 2D materijala, nema veoma jaku međuslojnu interakciju, a snaga i elastičnost materijala opadaju sa brojem dodatih slojeva“, rekao je Fang. „Drugi COF, međutim, pokazuje snažnu međuslojnu interakciju i zadržava svoja dobra mehanička svojstva čak i uz dodavanje više slojeva.“
Istraživač iz Merilenda i vodeći autor Zhenkian Pang rekao je da su simulacije pomogle da se utvrdi zašto su se dva COF-a ponašala različito.
„Otkrili smo da je jaka međuslojna interakcija u poslednjem COF rezultat značajno poboljšane vodonične veze između njegovih posebnih funkcionalnih grupa“, rekao je Pang.
Činjenica da su jake interakcije između slojeva 2D materijala u korelaciji sa postojanošću poželjnih mehaničkih svojstava u višeslojnoj ili masovnoj formi materijala, daje istraživačima trag o tome šta je potrebno da se napravi rasprostranjeni materijal koji zadržava mehanička svojstva svog 2D parnjaka .
„Verujemo da je ova snažna međuslojna interakcija prvenstveno posledica hemije vodonične veze“, rekao je Lu. „Vodonične veze su univerzalne i javljaju se u mnogim sistemima. U našoj studiji smo pokazali da su te vodonične veze između slojeva ne samo prilično jake, već i dinamičke u smislu da se, ako se pokidaju pod stresom, reformišu kako slojevi klize preko jednog sloja. drugi.“
Omogućavanje jačih veza između slojeva 2D materijala može oslabiti veze koje povezuju atome unutar sloja.
„Podešavanje međuslojnih interakcija je moguće u drugim 2D materijalima, ali ono što se generalno dešava je da ćete žrtvovati snažno okruženje za vezivanje u ravni tih 2D materijala kako biste te funkcionalne grupe povezali“, rekao je Lu. „Dakle, to je zapravo kompromis. Sa 2D polimerima, ne morate nužno da imate taj kompromis. To je jedan od veoma važnih motiva za uzimanje u ovom pravcu u našem istraživanju.“
2D polimer se sastoji od identičnih grupa atoma sa povezujućim elementima – funkcionalnim grupama – duž svake njegove ivice.
„2D polimer je neka vrsta dizajnerskog sistema, u smislu da je veoma prilagodljiv“, rekao je Lu.
U prethodnim istraživanjima na 2D materijalima, Lu i saradnici su pokazali da je heksagonalni bor nitrid (h-BN) 10 puta otporniji na lom od grafena.
„Kao u grafenu ili h-BN, i dalje imate ovu heksagonalnu strukturu rešetke – šest atoma u šestougaonom uzorku koji ponavljate na neodređeno vreme“, rekao je Lu. „Ali za 2D polimer, takođe imate vezu ili čvornu jedinicu, što taj šestougao čini većim.
Veći ponovljeni element znači da je materijal manje gust.
„Ovaj COF je skoro 10 puta manje gust od grafena ili h-BN“, rekao je Fang. „Kao rezultat toga, specifična snaga i specifična krutost COF-a su među najvišim prijavljenim.“
„Ovo je značajno jer ako možemo da pokažemo da je ovaj 2D materijal otporan na lom kao h-BN, on je takođe značajno lakši“, dodao je Lu. „Kada želite veću snagu bez povećanja težine vaše strukture, ovo može biti korisno.
„Ovaj nalaz se odnosi na neke od ideja koje su više zasnovane na primeni“, rekao je on. „COF-ovi bi mogli da naprave odlične filtracione membrane, na primer. Sada imamo način da dizajniramo veoma jake, veoma otporne na lom, višeslojne 2D polimere koji bi mogli biti veoma dobri kandidati za aplikacije membranske filtracije.“
Lu je rekao da je još jedna potencijalna aplikacija za nadogradnju skladištenja energije.
„Već smo istražili COF funkcionalnost za optimizaciju performansi litijum-jonske baterije i ovo pokazuje da smo na pravom putu“, rekao je on. „Za sve ove primene, mehanička svojstva 2D polimera – posebno u smislu otpornosti na lom – su veoma važna.“
Prema Liju, ključni uvid studije je da je „podešavanje sekundarnog intermolekularnog vezivanja efikasna strategija dizajna materijala koja bi mogla da omogući razvoj niza novih materijala sa poboljšanim svojstvima.“
„Ovo se razlikuje od konvencionalnih metoda dizajna materijala koje se u velikoj meri oslanjaju na primarno vezivanje“, rekao je on. „Postoje plodne mogućnosti za dizajniranje materijala sa ovom novom strategijom.“
