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石墨烯讓碳納米管氣凝膠變堅(jiān)韌

作者：中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司來(lái)源：http://m.sikpqwc.cn 日期：2013-01-09 08:45:26

美國(guó)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(qiáng)度壓力下一改易塌癟狀態(tài)而轉(zhuǎn)變得堅(jiān)韌耐壓，而當(dāng)卸除負(fù)載后又可完全恢復(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(shuō)，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(guò)石墨烯涂層實(shí)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(jī)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(rùn)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(shuō)：“正常的凝膠大多是由使其表面交錯(cuò)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(jiān)實(shí)如固體的特點(diǎn)。”

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(zhǎng)的分散的碳納米管構(gòu)成。碳納米管氣凝膠在壓力下會(huì)保有其形狀，是因?yàn)樵诠?jié)點(diǎn)的分子間相互作用，碳納米管會(huì)在各個(gè)點(diǎn)上相互交叉。然而，當(dāng)將這些氣凝膠在其原來(lái)大小基礎(chǔ)上壓縮高達(dá)90%的程度時(shí)，它們即會(huì)倒塌或?qū)е掠谰眯宰冃危源讼拗屏似錆撛诘膽?yīng)用。

在非涂層的氣凝膠里，強(qiáng)力壓縮后，在節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間的接觸面積。當(dāng)去除負(fù)載后，恢復(fù)這些節(jié)點(diǎn)到原狀則需要比施加壓力更多的力量。正因?yàn)樘技{米管氣凝膠沒(méi)有恢復(fù)之力來(lái)突破壓縮過(guò)程中形成的新節(jié)點(diǎn)，由此不會(huì)回到原來(lái)的形狀。

為了克服這種缺乏彈性的問(wèn)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(rèn)為，石墨烯涂層可加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)支柱，賦予其超彈特性。相比之下，強(qiáng)力壓縮節(jié)點(diǎn)時(shí)，覆蓋石墨烯涂層的碳納米管氣凝膠具有強(qiáng)大的支柱不易旋轉(zhuǎn)，在節(jié)點(diǎn)上的石墨烯會(huì)被壓縮和弄皺，而這樣的石墨烯薄片會(huì)提供恢復(fù)力，像彈簧一樣打破所形成的新節(jié)點(diǎn)。

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(lái)的形狀。其可承受超過(guò)100萬(wàn)次的壓縮循環(huán)，并在壓力釋放后仍能恢復(fù)其原來(lái)的形狀。如此不僅能夠使氣凝膠抵擋住強(qiáng)力壓縮變成超彈性材料，同時(shí)還保持了其多孔性和導(dǎo)電性等屬性。顯然，該特性為未來(lái)新的氣凝膠應(yīng)用打開了一扇大門。

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