科学家制造出比钢铁还坚固的轻质二维材料，可用于制作过滤膜、提升电池性能

CTOnews.com 5 月 7 日消息，二维材料（2D material）是一种比纸还薄的物质，但它们具有惊人的力学性能，被认为是地球上最坚固的材料之一。然而，要把这些材料堆叠起来使用，却是一件非常困难的事情。因为当这些材料叠加在一起时，它们之间的相互作用很弱，导致它们的力学性能大打折扣，限制了它们的实际应用。

现在，美国的科学家们找到了突破这一障碍的方法。他们通过微调二维聚合物 -- 共价有机框架（COFs）的分子结构，创造出一种轻盈而强韧的新型材料，即使叠加多层，也能保持其二维特性。

"这是一个非常令人兴奋的起点。"来自莱斯大学材料科学与纳米工程系的教授 Jun Lou 说，他领导了莱斯大学的研究团队。

研究人员利用分子水平的模拟，研究了不同的官能团 -- 即分子元素的排列方式，并设计了两种结构略有差异的 COFs。然后，他们研究了这些 COFs 在叠加成多层时的行为。结果发现，微小的结构差异导致了截然不同的结果。

第一种 COF，像大多数二维材料一样，只显示出很弱的层间相互作用，随着层数增加，其强度和弹性都消失了。而第二种 COF 却不同，"它表现出强烈的层间相互作用，并且即使增加多层，也保持了良好的力学性能。"该论文的共同第一作者、莱斯大学博士生 Qiyi Fang 说。

据研究人员推测，这种现象很可能是由于氢键作用。"我们从模拟中发现，在第二种 COF 中，由于其特殊官能团之间显著增强了氢键作用，导致了强大的层间相互作用。"该论文的另一位共同第一作者、马里兰大学机械工程系博士后研究员 Zhengqian Pang 说。

在此基础上，研究团队制造出了一种轻盈而强韧的新型材料，它不仅比钢铁坚固几倍，而且即使叠加多层，也能保持其二维特性。这种材料有许多潜在的应用领域。

"COFs 可以制成优秀的过滤膜。"莱斯大学的 Lou 说，"对于一个过滤系统来说，在孔隙处的官能团结构非常重要。当你有污水通过 COF 膜时，孔隙处的官能团会捕获杂质，只让所需的分子通过。在这个过程中，膜的力学完整性非常重要。现在我们有了一种方法，可以设计非常强韧、抗断裂的多层二维聚合物，它们可以是非常好的过滤膜候选材料。"

"另一个潜在的应用是提升电池性能：用硅代替石墨作为阳极，可以大大增加当前锂离子电池技术的储能容量。"他说。

这项研究还可能促进一系列材料的设计，包括陶瓷和金属。例如，陶瓷依赖于在非常高的温度下形成的离子键，这就是为什么一个破碎的咖啡杯不能轻易修复。同样，金属也需要在高温下锻造。而通过研究人员探索的分子微调方法，类似的产品或许可以在不加热的情况下制造和修复。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，CTOnews.com附地址。