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石墨烯讓碳納米管氣凝膠變堅韌
閱讀：676 發(fā)布時間：2019-6-24
美國賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基·梅隆大學的研究人員在易碎的碳納米管氣凝膠上覆蓋石墨烯涂層，使其猶如穿上超人斗篷一樣，在強度壓力下一改易塌癟狀態(tài)而轉變得堅韌耐壓，而當卸除負載后又可*恢復原狀。該研究結果刊登在《自然·納米技術》雜志上。
研究人員說，他們演示的碳納米管網狀物從脆弱性轉變成超彈性，僅僅是通過石墨烯涂層實現(xiàn)的，其所提供的超彈性和耐疲勞性，將使碳納米管氣凝膠在包括電極材料、人工肌肉和其他機械結構等各種領域得以廣泛應用。
通常情況下，涂層增加了材料耐腐蝕、潤滑、美觀、表面化學變更、密封等特性，但不利于力學性能的變化。研究人員說：“正常的凝膠大多是由使其表面交錯相連的網狀液體材料構成，氣凝膠是用氣體更換了凝膠中的液體材料。在臨界溫度把凝膠烘干，由此產生的氣凝膠是體積上由99.9%空氣組成的輕質材料，但也具有干燥、剛性好、堅實如固體的特點。”
在目前的研究中，研究人員采用已添加了空氣的碳納米管氣凝膠，其由約1微米長的分散的碳納米管構成。碳納米管氣凝膠在壓力下會保有其形狀，是因為在節(jié)點的分子間相互作用，碳納米管會在各個點上相互交叉。然而，當將這些氣凝膠在其原來大小基礎上壓縮高達90%的程度時，它們即會倒塌或導致變形，以此限制了其潛在的應用。
在非涂層的氣凝膠里，強力壓縮后，在節(jié)點上支持氣凝膠網狀結構的支柱可以彎曲和自由旋轉，從而增加了碳納米管和形成的新節(jié)點之間的接觸面積。當去除負載后，恢復這些節(jié)點到原狀則需要比施加壓力更多的力量。正因為碳納米管氣凝膠沒有恢復之力來突破壓縮過程中形成的新節(jié)點，由此不會回到原來的形狀。
為了克服這種缺乏彈性的問題，研究人員在碳納米管氣凝膠上涂上1到5層石墨烯涂料。研究人員認為，石墨烯涂層可加強節(jié)點支柱，賦予其超彈特性。相比之下，強力壓縮節(jié)點時，覆蓋石墨烯涂層的碳納米管氣凝膠具有強大的支柱不易旋轉，在節(jié)點上的石墨烯會被壓縮和弄皺，而這樣的石墨烯薄片會提供恢復力，像彈簧一樣打破所形成的新節(jié)點。
研究表明，涂有石墨烯的碳納米管氣凝膠可以經受高度壓縮，之后可反彈恢復到其原來的形狀。其可承受超過100萬次的壓縮循環(huán)，并在壓力釋放后仍能恢復其原來的形狀。如此不僅能夠使氣凝膠抵擋住強力壓縮變成超彈性材料，同時還保持了其多孔性和導電性等屬性。顯然，該特性為未來新的氣凝膠應用打開了一扇大門。