坚固的超轻材料可以帮助储能和碳捕获

二维材料的 强度来自其原子薄的片状结构。然而，堆叠多层 2D 材料会削弱其有用的品质。

莱斯大学材料科学家Jun Lou 和马里兰大学的合作者表明，微调一类 称为共价有机框架(COF) 的二维聚合物中的层间相互作用 可以确定材料在多层或块状结构中的理想机械性能的损失或保留形式。根据发表在《 国家科学院院刊》上的一项研究，在此过程中，研究人员设计了一种具有高刚度和强度的轻质材料，即使作为多层堆叠也能保持其二维特性。

这一发现是使二维聚合物在机械性能很重要的大规模多功能应用中使用的第一步，并可能为新的高性能过滤系统、碳捕获和储能技术打开大门。

“这对我们来说是一个非常令人兴奋的起点，”娄说。“关于 COF 和其他 2D 聚合物的一个非常好的事情是你有很多可以调整的化学旋钮。这意味着您可以合理地设计层间相互作用。从本质上讲，你可以使用层间交互设计来制作非常强大的模块化系统。”

研究人员观察了两个结构非常相似的 COF 在多层堆叠在一起时的行为，发现它们结构上的微小差异会导致完全不同的层间相互作用模式。

“为了成功设计出具有理想层间相互作用的 COF，您需要对 COF 的材料结构有科学的洞察力，”马里兰大学机械工程教授Teng Li说。“为此，我们依靠 分子尺度对 COF 材料的第一性原理模拟来提供关键的设计指南。”

莱斯校友、该研究的共同主要作者 Qiyi Fang 表示，莱斯实验室根据马里兰州同事开发的模拟的科学见解设计了两种类型的 COF。

“与大多数二维材料一样，其中一种 COF 没有很强的层间相互作用，材料的强度和弹性会随着层数的增加而降低，”Fang 说。“然而，另一种 COF 表现出强烈的层间相互作用，即使添加多层也能保持其良好的机械性能。”

马里兰州研究员兼共同主要作者 Zhenqian Pang 表示，模拟有助于查明两种 COF 表现不同的原因。

“我们发现后一种 COF 中强烈的层间相互作用是由其特殊官能团之间显着增强的氢键引起的，”Pang 说。

二维材料层之间的强相互作用与材料的多层或块体形式的理想机械性能的持久性相关这一事实为研究人员提供了有关制造保留其二维对应物机械性能的块体层状材料所需的线索.

“我们认为这种强烈的层间相互作用主要是由于氢键的化学作用，”Lou 说。“氢键是普遍存在的，存在于许多系统中。在我们的研究中，我们表明层之间的氢键不仅非常牢固，而且在某种意义上是动态的，如果它们在压力下断裂，它们会随着层彼此滑动而重新形成。”

促进二维材料层之间更强的键合可以削弱连接层内原子的键合。

“在其他 2D 材料中可以进行层间相互作用调整，但通常会发生的情况是，为了附加这些官能团，你将牺牲这些 2D 材料的强平面内键合环境，”Lou说 。“所以这实际上是一种权衡。使用 2D 聚合物，您不必进行这种权衡。这是我们在研究中朝这个方向发展的非常重要的动机之一。”

二维聚合物由相同的原子团组成，沿着它的每条边都有连接元素——官能团。

“二维聚合物是一种设计系统，因为它非常可调，”Lou 说。

在之前对二维材料的研究中 ，Lou 和合作者表明六方氮化硼 (h-BN) 的抗断裂性是石墨烯的 10 倍。

“就像在石墨烯或 h-BN 中一样，你仍然拥有这种六边形晶格结构 - 六个原子呈六边形图案，你可以无限重复，”Lou 说。“但是对于二维聚合物，你还有一个链接器或节点单元，这使得六边形更大。”

较大的重复元素意味着材料密度较低。

“这种 COF 的密度比石墨烯或 h-BN 低近 10 倍，”Fang 说。“因此，COF 的比强度和比刚度是报告中最高的。”

“这很重要，因为如果我们能够证明这种 2D 材料与 h-BN 一样具有抗断裂性，那么它的重量也会大大减轻，”Lou 补充道。“当你想在不增加结构重量的情况下获得更大的强度时，这会很有用。

“这一发现与一些更受应用驱动的想法有关，”他说。“例如，COF 可以制造出色的过滤膜。现在我们有办法设计非常坚固、非常抗断裂的多层二维聚合物，它们可以成为膜过滤应用的非常好的候选者。”

娄说，另一个潜在的应用是升级储能。

“我们已经探索了用于优化锂离子电池性能的 COF 功能，这表明我们走在正确的轨道上，”他说。“对于所有这些应用，二维聚合物的机械性能——尤其是在抗断裂性方面——非常重要。”

Li 表示，该研究的主要见解是“调整二级分子间键合是一种有效的材料设计策略，可以开发一系列具有增强性能的新材料。

“这与主要依赖初级粘合的传统材料设计方法不同，”他说。“用这种新策略设计材料有很多机会。”

Lou 是莱斯大学材料科学与纳米工程教授兼副系主任。