石墨烯是一种原子厚度的碳片。在二维尺度上，这种材料比钢更强，但由于石墨烯很薄，它仍然会被撕裂和撕裂。“钢筋石墨烯”是混凝土中钢筋的纳米级类似物，嵌入式“钢筋”增强了材料的强度和耐久性。由化学家James Tour于2014年开发的“钢筋石墨烯”使用碳纳米管进行增强。

    在美国化学学会杂志ACS Nano（《通过整合碳纳米管增韧石墨烯》）的一项新研究中，莱斯大学材料科学家Jun Lou及合作者通过压力测试的“钢筋石墨烯”，发现纳米管钢筋可以转移和桥接石墨烯中裂缝，否则裂缝将在未增强的石墨烯中传播。

    这种纳米管有助于石墨烯保持拉伸，并减少裂纹的影响。这不仅对灵活的电子产品有用，而且对电活性可穿戴设备或其他需要耐压、灵活性、透明性和机械稳定性的设备也很有用。实验室的机械测试和布朗大学（Brown University）的分子动力学模拟都揭示了这种材料的韧性。

    研究人员介绍，石墨烯的优异导电性使其成为器件的有力候选者，但其脆性本身就是一个缺点。两年前，实验室报告表明，原始石墨烯的强度“远低于其报告的内在强度”。在后来的一项研究中，实验室发现，研究人员感兴趣的另一种二维材料二硒化钼也很脆弱。

图像描绘了莱斯大学材料科学家在电子显微镜下测试后的“钢筋石墨烯”样品。它显示了裂缝如何以锯齿形方式传播，而不是直线传播。（图片来源：Emily Hacopian / Lou Group）

    该团队对“钢筋石墨烯”进行了类似的测试，通过将单壁纳米管旋涂到铜基板上并通过化学气相沉积在其表面生长石墨烯。

    为了对“钢筋石墨烯”进行压力测试，研究人员把它拉成碎片并测量施加的力。通过反复试验，该实验室发明了一种方法，可以切割材料的微小部分，并将其安装在实验台上，以便与扫描电子和透射电子显微镜一起使用。

    实验中，“钢筋”没有保持石墨烯不会受到最终的破坏，但是纳米管通过迫使裂纹在扩散过程中的弯曲和凹凸不平而减缓了这一过程。当力太弱而不能完全破坏石墨烯时，纳米管有效地桥接裂纹，在某些情况下保持了材料的导电性。

    在早期的测试中，该实验室显示石墨烯的天然断裂韧性为4兆帕斯卡。相比之下，“钢筋石墨烯的”平均韧性为10.7兆帕斯卡。研究人员认为：“这些模拟非常重要，因为它们让我们能够在时间尺度上看到我们使用显微镜技术无法获得的过程。”钢筋石墨烯“的结果是许多新材料表征的第一步。我们希望这开启了人们可以为应用设计2D材料特征的方向。”

    参考来源：莱斯大学（智识咨询编译）

    文献链接：Emily F. Hacopian, Yingchao Yang, Bo Ni, Yilun Li, Xing Li, Qing Chen, Hua Guo, James M. Tour, Huajian Gao, Jun Lou. Toughening Graphene by Integrating Carbon Nanotubes. ACS Nano, 2018; DOI: 10.1021/acsnano.8b02311

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