2D-Materialien beziehen ihre Stärke aus ihrer atomdünnen, blattartigen Struktur. Wenn Sie jedoch mehrere Schichten eines 2D-Materials stapeln, werden ihm die Qualitäten genommen, die es so nützlich machen.
Der Materialwissenschaftler Jun Lou von der Rice University und Mitarbeiter an der University of Maryland zeigten, dass die Feinabstimmung der Wechselwirkungen zwischen den Schichten in einer Klasse von 2D-Polymeren, die als kovalente organische Gerüste (COFs) bekannt sind, den Verlust oder die Beibehaltung wünschenswerter mechanischer Eigenschaften der Materialien in Mehrschicht- oder Massenmaterialien bestimmen kann form. Dabei entwickelten die Forscher ein leichtes Material mit hoher Steifigkeit und Festigkeit, das seine 2D-Eigenschaften auch als mehrschichtiger Stapel beibehält, so eine in veröffentlichte Studie Proceedings of the National Academy of Sciences.
Das Ergebnis ist ein erster Schritt, um den Einsatz von 2D-Polymeren in großtechnischen multifunktionalen Anwendungen zu ermöglichen, bei denen mechanische Eigenschaften wichtig sind, und könnte die Tür zu neuen Hochleistungsfiltrationssystemen, Kohlenstoffabscheidungs- und Energiespeichertechnologien öffnen.
„Das ist für uns ein sehr aufregender Ausgangspunkt“, sagte Lou. „Eine wirklich schöne Sache bei COFs und anderen 2D-Polymeren ist, dass Sie viele chemische Knöpfe haben, die Sie einstellen können. Das bedeutet, dass Sie die Wechselwirkungen zwischen den Schichten rational gestalten können. Im Wesentlichen können Sie sehr starke modulare Systeme mithilfe des Designs der Wechselwirkung zwischen den Schichten herstellen.“
Die Forscher untersuchten, wie sich zwei COFs mit sehr ähnlichen Strukturen verhalten, wenn mehrere Schichten übereinander gestapelt wurden, und stellten fest, dass ein kleiner Unterschied in ihrer Struktur zu völlig unterschiedlichen Mustern der Wechselwirkung zwischen den Schichten führte.
„Um COFs mit wünschenswerten Wechselwirkungen zwischen den Schichten erfolgreich zu entwerfen, braucht man wissenschaftliche Einblicke in die Materialstrukturen von COFs“, sagte Teng Li, Professor für Maschinenbau in Maryland. „Zu diesem Zweck verlassen wir uns auf First-Principles-Simulationen der COF-Materialien auf molekularer Ebene, um entscheidende Designrichtlinien bereitzustellen.“
Qiyi Fang, ein Rice-Absolvent und Co-Hauptautor der Studie, sagte, das Rice-Labor habe zwei Arten von COFs entwickelt, die auf den wissenschaftlichen Erkenntnissen aus den von Kollegen in Maryland entwickelten Simulationen basieren.
„Eines der COFs hat, wie die meisten 2D-Materialien, keine sehr starke Wechselwirkung zwischen den Schichten, und die Festigkeit und Elastizität des Materials nimmt mit der Anzahl der hinzugefügten Schichten ab“, sagte Fang. „Das andere COF zeigt jedoch eine starke Wechselwirkung zwischen den Schichten und behält seine guten mechanischen Eigenschaften auch bei der Hinzufügung mehrerer Schichten.“
Der Maryland-Forscher und Co-Hauptautor Zhenqian Pang sagte, die Simulationen hätten geholfen, genau zu bestimmen, warum sich die beiden COFs unterschiedlich verhielten.
„Wir fanden heraus, dass die starke Wechselwirkung zwischen den Schichten im letzteren COF auf die deutlich verstärkte Wasserstoffbindung zwischen seinen speziellen funktionellen Gruppen zurückzuführen ist“, sagte Pang.
Die Tatsache, dass starke Wechselwirkungen zwischen den 2D-Materialschichten mit dem Fortbestehen wünschenswerter mechanischer Eigenschaften in der Mehrschicht- oder Massenform des Materials korrelieren, gibt Forschern einen Hinweis darauf, was erforderlich ist, um ein Massenschichtmaterial herzustellen, das die mechanischen Eigenschaften seines 2D-Gegenstücks behält .
„Wir glauben, dass diese starke Wechselwirkung zwischen den Schichten hauptsächlich auf die Chemie der Wasserstoffbrückenbindung zurückzuführen ist“, sagte Lou. „Wasserstoffbrückenbindungen sind universell und kommen in vielen Systemen vor. In unserer Studie zeigen wir, dass diese Wasserstoffbrückenbindungen zwischen Schichten nicht nur ziemlich stark sind, sondern auch dynamisch in dem Sinne, dass sie sich, wenn sie unter Belastung brechen, neu bilden, wenn die Schichten über eine gleiten.“ andere.“
Das Ermöglichen stärkerer Bindungen zwischen 2D-Materialschichten kann die Bindungen schwächen, die die Atome innerhalb einer Schicht verbinden.
„Die Abstimmung der Wechselwirkung zwischen den Schichten ist in anderen 2D-Materialien möglich, aber was im Allgemeinen passiert, ist, dass Sie die starke In-Plane-Bindungsumgebung dieser 2D-Materialien opfern, um diese funktionellen Gruppen anzubringen“, sagte Lou. „Es ist also eigentlich ein Kompromiss. Bei 2D-Polymeren muss man diesen Kompromiss nicht unbedingt eingehen. Das ist eine der sehr wichtigen Motivationen, diese Richtung in unserer Forschung einzuschlagen.“
Ein 2D-Polymer besteht aus identischen Atomgruppierungen mit Verbindungselementen – den funktionellen Gruppen – entlang jeder seiner Kanten.
„Das 2D-Polymer ist eine Art Designersystem, in dem Sinne, dass es sehr einstellbar ist“, sagte Lou.
In früheren Forschungen zu 2D-Materialien hatten Lou und Mitarbeiter gezeigt, dass hexagonales Bornitrid (h-BN) zehnmal bruchfester ist als Graphen.
„Wie bei Graphen oder h-BN haben Sie immer noch diese hexagonale Gitterstruktur – sechs Atome in einem Hexagonmuster, das Sie endlos wiederholen“, sagte Lou. „Aber für das 2D-Polymer haben Sie auch eine Linker- oder Knoteneinheit, die dieses Sechseck größer macht.“
Ein größeres Wiederholungselement bedeutet, dass das Material weniger dicht ist.
„Dieses COF ist fast zehnmal weniger dicht als Graphen oder h-BN“, sagte Fang. „Infolgedessen gehören die spezifische Festigkeit und spezifische Steifheit des COF zu den höchsten, die gemeldet wurden.“
„Das ist von Bedeutung, denn wenn wir zeigen können, dass dieses 2D-Material so bruchfest wie h-BN ist, ist es auch deutlich leichter“, fügte Lou hinzu. „Wenn Sie mehr Festigkeit wünschen, ohne das Gewicht Ihrer Struktur zu erhöhen, kann dies nützlich sein.
„Diese Erkenntnis bezieht sich auf einige der eher anwendungsorientierten Ideen“, sagte er. „COFs könnten zum Beispiel hervorragende Filtrationsmembranen ergeben. Jetzt haben wir eine Möglichkeit, sehr starke, sehr bruchfeste, mehrschichtige 2D-Polymere zu entwickeln, die sehr gute Kandidaten für Membranfiltrationsanwendungen sein könnten.“
Laut Lou ist eine weitere potenzielle Anwendung die Aufrüstung von Energiespeichern.
„Wir haben bereits die COF-Funktionalität für untersucht Optimierung der Leistung von Lithium-Ionen-Batterienund das zeigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind“, sagte er. „Für all diese Anwendungen sind die mechanischen Eigenschaften von 2D-Polymeren – insbesondere in Bezug auf die Bruchfestigkeit – sehr wichtig.“
Laut Li ist die wichtigste Erkenntnis der Studie, dass „die Abstimmung der sekundären intermolekularen Bindung eine effektive Strategie für das Materialdesign ist, die die Entwicklung einer Reihe neuer Materialien mit verbesserten Eigenschaften ermöglichen könnte“.
„Dies unterscheidet sich von den herkömmlichen Materialdesignmethoden, die weitgehend auf primärer Bindung beruhen“, sagte er. „Es gibt fruchtbare Möglichkeiten, Materialien mit dieser neuen Strategie zu entwerfen.“
Mehr Informationen:
Fang, Qiyi et al., Überlegene mechanische Eigenschaften von mehrschichtigen kovalent-organischen Gerüsten, die durch rationale Abstimmung der molekularen Zwischenschicht-Wechselwirkungen ermöglicht werden, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2208676120