Молекулярна магия: Разработен е лек 2D материал, по-здрав от стомана

Ваня Милева Последна промяна на 09 май 2023 в 00:01 8766 0

Кредит Public Domain Certification

Изследователи са разработили метод за запазване на механичните свойства на 2D полимери, наречени ковалентни органични рамки, когато са подредени в няколко слоя.

Като променя молекулярната им структура, екипът създава лек материал, който е няколко пъти по-здрав от стоманата, запазвайки 2D свойствата си дори в многослойни форми.

Потенциалните приложения включват филтриращи мембрани и модернизирани батерии. Изследването може да повлияе и на дизайна на керамиката и металите, като потенциално позволи тяхното производство и ремонт при по-ниски температури.

Въпреки че са признати за едни от най-здравите вещества на Земята, но използването на 2D материалите в пълния им потенциал се оказва трудна задача. Учени от Университета Райс и Университета на Мериленд ръководят усилията за преодоляване на една основна пречка.

Двуизмерните материали, които са по-фини дори от най-тънката лучена люспа, привличат значително внимание поради забележителните си механични качества. Тези свойства обаче се разпадат, когато материалите се наслояват, което ограничава практическите им приложения.

"Представете си графитен молив", обяснява Тън Ли (Teng Li), професор в катедрата по машиностроене на Университета на Мериленд. "Сърцевината му е направена от графит, а графитът е съставен от много слоеве графен, за който е установено, че е най-здравият материал в света. И все пак графитният молив не е здрав изобщо в действителност графитът се използва дори като смазка".

Предимства на COF материалите:

• Голяма повърхност и пореста структура
• Флуоресценция
• Потенциал за атомно прецизна структура
• Изобилие от активни места
• Регулируема геометрия на порите, повърхностна химия и физични свойства
• Обикновено съдържа леки и изобилни от земята елементи
• Потенциал за висока стабилност

Сега Ли и сътрудниците му от Университета Райс и Университета в Хюстън са намерили начин да преодолеят тази бариера, като внимателно са променили молекулярната структура на 2D полимери, известни като ковалентни органични рамки (COF - covalent organic framework). Откритията са описани подробно в ново проучване, публикувано в Proceedings of the National Academy of Sciences.

"Това е много вълнуваща отправна точка", казва професорът по материалознание и наноинженерство от Университета Райс Дзюн Лоу (Jun Lou), който ръководи екипа от Райс.

Ковалентна органична рамкаПроба от ковалентния органичен рамков материал, за който изследователите са установили, че запазва 2D механичните си свойства като многослойна подредба. Кредит: Gustavo Raskosky/Rice University

Използвайки симулации на молекулярно ниво, изследователите проучват различни функционални групи - т.е. подредба на молекулярни елементи - и след това проектират две COF с минимални разлики в структурата. След това те проучват как се държат COF, когато са подредени в слоеве. Оказало се, че малките структурни разлики водят до значително различни резултати.

Филм S1. За случая на COF TAPB-DMTP с нулев ъгъл на дезориентация, Слой 1 първоначално се поставя на произволно място върху Слой 2. Тъй като симулационният модел е достатъчно отпуснат, Слой 1 се плъзга леко, за да образува перфектно AA подреждане с основния Слой 2. Кредит: Fang et al.

Първият COF, подобно на повечето 2D материали, показва само слабо взаимодействие между слоевете, а с добавянето на повече слоеве намалява както здравината, така и еластичността. Не така стои въпросът с втория COF, който "показва силно взаимодействие между слоевете и запазва добрите си механични свойства дори при добавяне на множество слоеве", отбелязва докторантът от Университета в Райс Ции Фан (Qiyi Fang), един от водещите автори на статията в PNAS.

Според изследователите този феномен най-вероятно се дължи на водородно свързване.

"От симулациите ни установихме, че силните междуслойни взаимодействия във втория тип COF са резултат от значително засиленото водородно свързване между специалните му функционални групи", заявява съавторът Джънциен Пан (Zhengqian Pang), докторант от Университета на Мериленд и член на изследователската група на Ли.

Прилагайки своите открития, изследователският екип създава лек материал, който не само е няколко пъти по-здрав от стоманата, но и запазва 2D свойствата си дори когато е подреден в няколко слоя.

Потенциалните приложения са многобройни.

"COF могат да бъдат отлични филтриращи мембрани", посочва Лу от Райс. "За една филтрираща система структурата на функционалните групи в порите ще бъде много важна. Когато, да речем, мръсна вода преминава през COF мембрана, функционалната група в порите ще улавя само примесите и ще позволява преминаването на желаната молекула. В този процес механичната цялост на мембраната ще бъде много важна. Сега разполагаме с начин да проектираме много здрави, много устойчиви на счупване многослойни 2D полимери, които биха могли да бъдат много добри кандидати за приложения за мембранна филтрация."

"Друго потенциално приложение е за модернизиране на батерии: Замяната на графитния анод със силициев би увеличила значително капацитета на съхранение на сегашните технологии за литиево-йонни батерии", смята Лу.

Изводите от изследването биха могли да доведат и до напредък в проектирането на широк спектър от материали, включително керамика и метали, посочва Ли. Керамиката например зависи от йонни връзки, които се образуват при много високи температури, поради което счупена чаша за кафе не може да бъде поправена лесно. Металите също изискват коване при високи температури. С помощта на молекулярните промени, изследвани от изследователите, подобни продукти биха могли да се произвеждат и ремонтират, без да се повишава температурата.

"Въпреки че непосредственият контекст е 2D материали, в по-общ план ние сме пионери в разработването на начини за използване на благоприятните свойства на материалите без ограниченията, които тези материали представляват", коментира Ли.

Справка: “Superior mechanical properties of multilayer covalent-organic frameworks enabled by rationally tuning molecular interlayer interactions” by Qiyi Fang, Zhengqian Pang, Qing Ai, Yifeng Liu, Tianshu Zhai, Doug Steinbach, Guanhui Gao, Yifan Zhu, Teng Li and Jun Lou, 4 April 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI: 10.1073/pnas.2208676120

Източник: Molecular Magic – Researchers Develop Lightweight 2D Material Stronger Than Steel, University Of Maryland

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !