糕點師教我們怎么構(gòu)造納米層狀復(fù)合材料
舊瓶裝新酒，從幾百年來鍛工和糕點師玩的老把戲那里，MIT化學(xué)工程Michael Strano教授團隊找到了一種構(gòu)造數(shù)百層復(fù)合材料的新方法，且該法行之有效。該層狀復(fù)合物厚度僅原子級卻能覆蓋住整個材料。
圖1 首先利用化學(xué)氣相沉積法制備多層平行片狀石墨烯（Ⅰ），使得每一石墨烯片層都有聚合物涂層；然后進行堆疊（Ⅱ），經(jīng)折疊和剪切（Ⅲ）之后繼續(xù)堆疊和沖壓，使層數(shù)成倍增加。
目前，諸如石墨烯，碳納米管等，其是我們所能得到的最堅固材料，該性能源于其原子間完全是通過C-C鍵緊密結(jié)合的，而C-C鍵固有的極高鍵能也恰恰是我們的切入點。因此，研究學(xué)者們不斷地探尋新方法，以期借助該類納米材料提升復(fù)合材料的強度，就像利用鋼筋來增強混凝土。
首要問題就是如何讓該類材料在另一基材中有序復(fù)合。這些細小的片狀及管狀物極易聚集，因此僅僅通過在液體樹脂中攪拌混合完全不能解決問題。
在Michael Strano教授團隊看來，他們所要做的就是找到一種堆疊非常規(guī)整的多層膜的制備方法，而無需對每一層進行單獨堆疊。
有時候，有些事聽起來簡單，但實踐卻并非易事。其技術(shù)要點與鍛工制備超強鋼片、糕點師制備果仁蜜餅和拿破侖蛋糕里的千層餅類似。首先將一層鋼，面團或是石墨烯材料平整鋪展，之后材料層數(shù)加倍，經(jīng)沖壓后再次加倍，所得層數(shù)以指數(shù)形式增加，因此僅需加倍20次，就能得到一百多萬層排列規(guī)整的層狀材料。
目前，該方法還不能準(zhǔn)確應(yīng)用于納米尺度。該團隊在研究過程中并不是對材料折疊，而是將一整塊（石墨烯和復(fù)合材料的交替層）分成四份，將其中一塊滑至另一塊上，接著將另外兩塊滑至其上，如此重復(fù)多次。但最終結(jié)果一樣：層堆疊均勻，生產(chǎn)快速，且能摻雜于聚碳酸酯基材中形成復(fù)合材料。
在理論論證中，該團隊制備了320層石墨烯摻雜聚碳酸酯復(fù)合材料。盡管總的石墨烯含量很少（低于0.1wt%），但是總強度卻得到明顯提高。
▲力學(xué)性能
Strano表示，實際上石墨烯的縱橫比是無法衡量的。因為其薄度可以無限小，而尺寸卻可以大到足以被肉眼所見和操作。雖然只有納米級厚度，但其仍可跨越材料的二維方向。石墨烯和少數(shù)其它2D材料是目前我們所知道的唯一可以用來做這項工作的材料。
此外，他們也找到了一種利用石墨烯制備結(jié)構(gòu)化纖維的方法，可能有利于制備植入電子功能的紗線和織物，以及另一類復(fù)合材料。在某種程度上，其剪切機理與奶酪切片器相似，石墨烯被剝落下來卷成渦旋型，即阿基米德螺線型。
這就解決了石墨烯和納米管在做成長纖維時的一個重要問題：極度滑溜。因為它們非常光滑，各股間相互滑移而無法粘結(jié)成束。而這種新的渦旋型結(jié)構(gòu)不僅可以克服以上困難，它們的彈性還非常優(yōu)異，但與其它一些超強材料（如Kevlar等）不同。這就意味著它們可以被織成有彈性又不會遭到破壞的防護材料。
另外，Strano提到這種新型層狀復(fù)合材料還具有一個出人意料的優(yōu)勢：在復(fù)合材料中，極易導(dǎo)電的石墨烯層仍能保持其連續(xù)性，不會與鄰近層間發(fā)生短路。因此，我們舉個例子來說，只需將電子探針插入該層狀復(fù)合材料至一定精確深度，我們就有可能找到數(shù)百層中的任何一層。在光學(xué)設(shè)備，電子系統(tǒng)和高科技材料領(lǐng)域，該法為制備易于生產(chǎn)的新型復(fù)合物創(chuàng)造了無限可能，有望引領(lǐng)新型復(fù)合多層電子技術(shù)的發(fā)展。
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