研究人员使用聚合物来强化氧化石墨烯薄片

二维材料——只有一个原子厚度的材料——被吹捧为下一代传感器和可穿戴电子产品的基石。

虽然这些材料，包括石墨烯和氧化石墨烯，因其强度和高表面体积比而受到重视，但它们通常也很脆。科学家和工程师们一直在寻找一种方法，通过将它们与其他材料结合在一起，而不引入组合中的固有弱点，来提高它们的韧性和抗裂缝和穿孔能力。

西北大学工程学院的教授们发明了一种方法，将氧化石墨烯与聚乙烯醇(一种合成聚合物)分层，使其变硬。在此过程中，他们创造了一种坚硬两倍的材料，由于两种材料结合的方式，极大地减少了由于裂缝和穿孔造成的故障。这一进展将有助于先进复合材料的设计。

“我们找到了一种方法来开发和研究材料，有效地消除了过去阻碍其全面实施的缺陷，”Horacio Espinosa, James N.和Nancy J. Farley制造与创业教授，机械工程教授，该研究的合著者说。“这可以作为未来二维材料的模型。”其他合著者包括材料科学与工程教授黄嘉兴(jixing Huang)和温伯格艺术与科学学院化学教授阮文平(SonBinh Nguyen)。

该材料设计由Espinosa、Huang和Nguyen提出，并通过Langmuir-Blodgett沉积技术制造，该技术将氧化石墨烯薄片平铺在水面上以形成单层薄膜。在这里，他们使用该技术在氧化石墨烯薄片上单层聚乙烯醇聚合物链。这项技术创造了一个近乎理想的聚合物-氧化石墨烯纳米复合材料模型系统。

聚合物链通过氢键与氧化石墨烯相互作用，形成增强剂，加强后者的薄弱环节。随着裂缝的发展，氢键断裂和重组，有效地阻止了裂缝的蔓延。埃斯皮诺萨说:“这种聚合物弥合了裂缝，使材料更加坚硬，并有可能自我修复。”研究人员通过成像和计算模拟证实了这一发现。

这种层状材料只有约5纳米厚，并保留了氧化石墨烯的固有强度、刚度和低重量。阮说:“我们希望我们的发现将成为未来如何制造其他纳米复合材料的模型。”

接下来，研究人员必须确定如何扩大这些纳米复合材料的加工，同时保留其独特的特性。

黄说:“在将纳米结构块的发现推断到它们的体积形式时，人们需要非常谨慎。”“将纳米级特性扩展到批量需要相当大的研究工作。”

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