Wil je een supersterk materiaal maken van bouwstenen op nanoschaal? Begin met bouwstenen van de hoogste kwaliteit, Rechtsaf?

Fout - tenminste bij het werken met "vlokken" van grafeenoxide (GO).

Een nieuwe studie van onderzoekers van de Northwestern University laat zien dat er beter GO "papier" gemaakt kan worden door sterke, stevige GO-vlokken met zwakke, poreuze GO-vlokken. De bevinding zal de productie van GO-materialen van hogere kwaliteit helpen, en het werpt licht op een algemeen probleem in materiaalkunde:hoe een materiaal op nanoschaal in een macroscopisch materiaal te bouwen zonder de gewenste eigenschappen te verliezen.

"Om het in menselijke termen te zeggen, samenwerking is erg belangrijk, " zei Jiaxing Huang, Northwestern Engineering hoogleraar materiaalkunde en techniek, die de studie leidde. "Uitmuntende spelers kunnen nog steeds een slecht team vormen als ze niet goed samenwerken. Hier, we voegen wat schijnbaar zwakkere spelers toe en zij versterken het hele team."

Het onderzoek was een vierzijdige samenwerking. Naast Huangs, drie andere groepen namen deel, onder leiding van Horacio Espinosa, hoogleraar werktuigbouwkunde aan de McCormick School of Engineering; ZoonBinh Nguyen, hoogleraar scheikunde aan Northwestern; en Tae Hee Han, een voormalig postdoc-onderzoeker aan de universiteit die nu hoogleraar organische en nano-engineering is aan de Hanyang University, Zuid-Korea.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Hightech papier

GO is een derivaat van grafiet dat kan worden gebruikt om de tweedimensionale, super materiaal grafeen. Omdat GO gemakkelijker te maken is, wetenschappers bestuderen het als een modelmateriaal. Het komt over het algemeen als een dispersie van kleine vlokken in water. Van het ene uiteinde naar het andere, elke vlok is kleiner dan de breedte van een mensenhaar en slechts één nanometer dik.

Wanneer een oplossing van GO-vlokken op een filter wordt gegoten en het water wordt verwijderd, een dun "papier" wordt gevormd, meestal enkele centimeters in diameter met een dikte van minder dan of gelijk aan 40 micrometer. Intermoleculaire krachten houden de vlokken bij elkaar, niets meer.

Kracht van zwakte

Wetenschappers kunnen sterke GO maken in enkele lagen, maar het in lagen aanbrengen van de vlokken in een papieren vorm werkt niet zo goed. Tijdens het testen van het effect van gaten op de sterkte van GO-vlokken, Huang en zijn medewerkers ontdekten een oplossing.

Met behulp van een mengsel van ammoniak en waterstofperoxide, de onderzoekers "geëtst" gaten in de GO-vlokken chemisch. Vlokken die een tot drie uur inweekt waren, waren drastisch zwakker dan niet-geëtste vlokken. Na vijf uur weken, vlokken werden zo zwak dat ze niet konden worden gemeten.

Vervolgens, het team vond iets verrassends:papier gemaakt van de verzwakte vlokken was sterker dan verwacht. Op enkellaags niveau, een uur geëtste poreuze vlokken, bijvoorbeeld, waren 70 procent zwakker dan vaste vlokken, maar papier gemaakt van die vlokken was slechts 10 procent zwakker dan papier gemaakt van stevige vlokken.

Het werd nog interessanter toen het team vaste en poreuze vlokken met elkaar mengde, zei Huang. In plaats van het papier dat uitsluitend uit vaste vlokken is gemaakt, te verzwakken, de toevoeging van 10 of 25 procent van de zwakste vlokken versterkte het met ongeveer 95 en 70 procent, respectievelijk.

Effectieve verbinding

Als GO-platen kunnen worden vergeleken met aluminiumfolie, Huang zei, het maken van een GO-papier is net als het opstapelen van de folie om een ​​dikke aluminium plaat te maken. Als je begint met grote vellen aluminiumfolie, de kans is groot dat velen zullen kreuken, het belemmeren van strakke verpakking tussen bladen. Anderzijds, kleinere vellen kreuken niet zo gemakkelijk. Ze pakken goed samen, maar creëren strakke stapels die niet goed integreren met andere strakke stapels, het creëren van holtes in GO-papier waar het gemakkelijk kan breken.

"Zwakke vlokken vervormen om die leegtes op te vullen, die de verdeling van krachten door het materiaal verbetert, " zei Huang. "Het herinnert ons eraan dat de sterkte van individuele eenheden slechts een deel van de vergelijking is; effectieve verbinding en stressverdeling is even belangrijk."

Deze bevinding zal direct van toepassing zijn op andere tweedimensionale materialen, zoals grafeen, Huang zei, en zal ook leiden tot het ontwerp van GO-producten van hogere kwaliteit. Hij hoopt het hierna uit te testen op GO-vezels.