Они считаются одними из самых прочных материалов на планете, но добиться этой прочности оказалось непросто. Двумерные материалы, более тонкие, чем самая тонкая луковая бумага, вызывают повышенный интерес благодаря своим невероятным механическим свойствам. Однако эти свойства рассеиваются, когда материалы укладываются в несколько слоев, что ограничивает их полезность.
Теперь Ли и его коллеги из Университета Райса и Университета Хьюстона нашли способ преодолеть этот барьер, тщательно изменив молекулярную структуру двумерных полимеров, известных как ковалентные органические каркасы (КОФ). Полученные результаты подробно описаны в новом исследовании, опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Используя моделирование на молекулярном уровне, исследователи изучили различные функциональные группы, то есть расположение молекулярных элементов, а затем разработали два COF с незначительными различиями в структуре. Затем они изучили, как ведут себя COF, когда их складывают в слои. Оказалось, что крошечные структурные различия привели к значительно отличающимся результатам. Первый COF, как и большинство двумерных материалов, демонстрировал лишь слабое взаимодействие между слоями, а прочность и упругость уменьшались по мере добавления новых слоев. Это не так со вторым COF, который «демонстрирует сильное межслойное взаимодействие и сохраняет хорошие механические свойства даже при добавлении нескольких слоев», — заявил докторант Университета Райса Цийи Фанг, соавтор статьи в PNAS. По мнению исследователей, это явление, скорее всего, обусловлено водородной связью.
Применив полученные результаты, исследовательская группа создала легкий материал, который не только в несколько раз прочнее стали, но и сохраняет свои двухмерные свойства даже при укладке в несколько слоев. Потенциальных применений много. «Из COF могут получиться отличные фильтрационные мембраны», — говорит Лу из Райса. „Для системы фильтрации очень важна структура функциональной группы в порах. Когда, скажем, грязная вода проходит через мембрану COF, функциональная группа на порах будет захватывать только примеси и пропускать нужные молекулы. В этом процессе очень важна механическая целостность мембраны. Теперь у нас есть возможность создавать очень прочные, очень устойчивые к разрушению, многослойные 2D-полимеры, которые могут быть очень хорошими кандидатами для применения в мембранной фильтрации“.
По словам Ли, результаты исследования также могут привести к прогрессу в разработке широкого спектра материалов, включая керамику и металлы. Керамика, например, зависит от ионной связи, которая образуется при очень высоких температурах, поэтому разбитую кофейную чашку не так-то просто починить. Металлы, в свою очередь, требуют ковки при высоких температурах. С помощью молекулярной подстройки, изучаемой исследователями, подобные изделия можно будет производить и ремонтировать без повышения температуры.
03.04.2023 |
Хайтек
Созданы чернила для 3D-печати гибких устройств без механических соединений | |
Для инженеров, работающих над мягкой робо... |
Инструмент прогнозирования ускорит исследования в области сверхпроводников | |
Функциональность многих современных передовых ... |
В MIT разрабатывают бытовых роботов, наделенных здравым смыслом | |
С помощью большой языковой модели инженеры Мас... |
В двумерных сверхпроводниках открыта незаметная квантовая критическая точка | |
Слабые флуктуации в сверхпроводимости, яв... |
Роняйте на здоровье. Разработан материал для электроники с адаптивной прочностью | |
Неприятности случаются каждый день, и есл... |
2-фотонная фотоэмиссионная спектроскопия помогла понять поведение электронов | |
Органическая электроника — область,... |
Печатный полимер позволяет изучить хиральность и спины при комнатной температуре | |
Печатаемый органический полимер, который при&n... |
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах | |
Исследовательская группа, работающая в UN... |
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе | |
Исследователи из Стэнфорда приблизились к... |
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий | |
Когда речь заходит о сверхпроводящих куби... |
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний | |
Ученые из Университета Падерборна примени... |
Физики впервые услышали звуки "схлопывания" тепла в сверхтекучей жидкости | |
В большинстве материалов тепло предпочитает ра... |
Nature Communications: Ученые придумали, как защитить золотые катализаторы | |
Впервые исследователи, в том числе и... |
Nature Photonics: Поставлен рекорд эффективности первоскитовых светодиодов | |
Используя простой метод solvent sieve, исследо... |
Создан новый сверхпроводник из иридия, циркония и платины с хиральной структурой | |
Исследователи из Токийского университета ... |
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов | |
Исследователи из Калифорнийского универси... |
В Японии робота с живыми мышцами научили ходить под водой — на суше он высохнет | |
Исследователи из Токийского университета ... |
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути | |
Исследователи из Принстона применили спле... |
Создано доступное и экологичное решение для плоских дисплеев и носимой техники | |
Исследовательская группа под руководством... |
Разработан экологичный способ производства проводящих чернил для электроники | |
Исследователи из Университета Линчепинга,... |
AFM: Ученые разрабатывают технологию интеграции искусственных нейронных сетей | |
С появлением таких новых отраслей, как ис... |
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ | |
Ученые из Томского политехнического униве... |
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света | |
В основе глобальной интернет-связи лежит оптич... |
Создан новый держатель образцов для измерения температур в сверхмалом диапазоне | |
Группа специалистов из Helmholtz-Zentrum ... |
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения | |
Мемристорные устройства представляют собой кат... |
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников | |
Замещающее легирование чужеродными элементами ... |
eLight: Разработан подход для создания сверхчувствительных сенсоров | |
Датчики — важнейшие инструменты для... |
Монополи фазы Берри применили для создания высокотемпературных спинтроников | |
Спинтроники — это электронные ... |
Создан новый подход для разработки новых оптических устройств для биомедицины | |
Интегрированные сети распределения, обработки ... |
LAM: Создано устройство, способное произвести революцию в использовании света | |
Жидкокристаллические, или ЖК, фазовые мод... |