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石墨烯讓碳納米管氣凝膠變堅韌
閱讀：707 發(fā)布時間：2019-6-24
美國賓夕法尼亞州匹茲堡卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的研究人員在易碎的碳納米管氣凝膠上覆蓋石墨烯涂層，使其猶如穿上超人斗篷一樣，在強度壓力下一改易塌癟狀態(tài)而轉(zhuǎn)變得堅韌耐壓，而當(dāng)卸除負載后又可*恢復(fù)原狀。該研究結(jié)果刊登在《自然·納米技術(shù)》雜志上。
研究人員說，他們演示的碳納米管網(wǎng)狀物從脆弱性轉(zhuǎn)變成超彈性，僅僅是通過石墨烯涂層實現(xiàn)的，其所提供的超彈性和耐疲勞性，將使碳納米管氣凝膠在包括電極材料、人工肌肉和其他機械結(jié)構(gòu)等各種領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。
通常情況下，涂層增加了材料耐腐蝕、潤滑、美觀、表面化學(xué)變更、密封等特性，但不利于力學(xué)性能的變化。研究人員說：“正常的凝膠大多是由使其表面交錯相連的網(wǎng)狀液體材料構(gòu)成，氣凝膠是用氣體更換了凝膠中的液體材料。在臨界溫度把凝膠烘干，由此產(chǎn)生的氣凝膠是體積上由99.9%空氣組成的輕質(zhì)材料，但也具有干燥、剛性好、堅實如固體的特點。”
在目前的研究中，研究人員采用已添加了空氣的碳納米管氣凝膠，其由約1微米長的分散的碳納米管構(gòu)成。碳納米管氣凝膠在壓力下會保有其形狀，是因為在節(jié)點的分子間相互作用，碳納米管會在各個點上相互交叉。然而，當(dāng)將這些氣凝膠在其原來大小基礎(chǔ)上壓縮高達90%的程度時，它們即會倒塌或?qū)е伦冃?，以此限制了其潛在的?yīng)用。
在非涂層的氣凝膠里，強力壓縮后，在節(jié)點上支持氣凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的支柱可以彎曲和自由旋轉(zhuǎn)，從而增加了碳納米管和形成的新節(jié)點之間的接觸面積。當(dāng)去除負載后，恢復(fù)這些節(jié)點到原狀則需要比施加壓力更多的力量。正因為碳納米管氣凝膠沒有恢復(fù)之力來突破壓縮過程中形成的新節(jié)點，由此不會回到原來的形狀。
為了克服這種缺乏彈性的問題，研究人員在碳納米管氣凝膠上涂上1到5層石墨烯涂料。研究人員認為，石墨烯涂層可加強節(jié)點支柱，賦予其超彈特性。相比之下，強力壓縮節(jié)點時，覆蓋石墨烯涂層的碳納米管氣凝膠具有強大的支柱不易旋轉(zhuǎn)，在節(jié)點上的石墨烯會被壓縮和弄皺，而這樣的石墨烯薄片會提供恢復(fù)力，像彈簧一樣打破所形成的新節(jié)點。
研究表明，涂有石墨烯的碳納米管氣凝膠可以經(jīng)受高度壓縮，之后可反彈恢復(fù)到其原來的形狀。其可承受超過100萬次的壓縮循環(huán)，并在壓力釋放后仍能恢復(fù)其原來的形狀。如此不僅能夠使氣凝膠抵擋住強力壓縮變成超彈性材料，同時還保持了其多孔性和導(dǎo)電性等屬性。顯然，該特性為未來新的氣凝膠應(yīng)用打開了一扇大門。