分子魔法：研究人员开发出比钢铁更坚固的轻质二维材料

来自莱斯大学和马里兰大学的科学家们带头努力克服了一个主要障碍。尽管被认为是地球上最强的一些物质，但利用它们的全部潜力已被证明是一项困难的任务。比最薄的洋葱皮纸还要细的二维材料，由于其显著的机械属性，已经获得了极大的关注。然而，当这些材料被分层时，这些特性就会消失，从而限制了其实际应用。

研究人员已经开发出一种方法，在多层堆叠时保留被称为共价有机框架(COFs)的二维聚合物的机械性能。通过调整其分子结构，该团队创造了一种轻质材料，其强度是钢的数倍，即使在多层形式下也能保持其二维特性。潜在的应用包括过滤膜和升级的电池。这项研究还可以影响陶瓷和金属的设计，有可能使它们在较低的温度下制造和修复。

"想想石墨铅笔，"马里兰大学(UMD)机械工程系的基石教授Teng Li说。"它的核心是由石墨制成的，而石墨是由许多层石墨烯组成的，石墨烯已被发现是世界上最坚硬的材料。然而，石墨铅笔在所有的事实中并不强大，石墨甚至被用作润滑剂。"

现在，李和莱斯大学和休斯顿大学的合作者已经找到了克服这一障碍的方法，通过仔细调整被称为共价有机框架(COFs)的二维聚合物的分子结构。这些发现在发表于《美国国家科学院院刊》的一项新研究中得到了详细说明。领导莱斯大学团队的莱斯大学材料科学和纳米工程教授Jun Lou说："这是一个非常令人兴奋的起点。"

利用分子水平的模拟，研究人员研究了不同的官能团--即分子元素的排列，然后设计了两种结构上有细微差别的COFs。然后他们研究了COFs在堆叠成层时的表现。结果发现，微小的结构差异导致了明显不同的结果。

第一个COF，像大多数二维材料一样，只显示了层与层之间的微弱相互作用，而且随着层数的增加，强度和弹性都会下降。PNAS论文的共同作者、莱斯大学博士生Qiyi Fang说："第二种COF则不同，它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。"

根据研究人员的说法，这种现象很可能是由于氢键的作用。"我们从模拟中发现，第二类COF中的强层间相互作用是由于其特殊官能团之间的氢键明显增强，"共同第一作者、UMD博士后研究员和李的研究小组成员彭正谦说。

应用他们的发现，研究小组随后生产了一种轻质材料，它不仅比钢强数倍，而且即使在堆积成多层时也能保持其二维特性。

其潜在的应用有很多。"COFs可以成为优秀的过滤膜，"莱斯的Lou说。"对于一个过滤系统来说，孔隙的官能团结构将是非常重要的。比如说，当你有脏水通过COF膜时，孔隙处的官能团将只捕获杂质，而允许所需的分子通过。在这个过程中，该膜的机械完整性将是非常重要的。现在我们有办法设计出非常坚固、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。"

另一个潜在的应用是用于升级电池：用硅取代石墨阳极将大大增加当前锂离子电池技术的存储容量。

从这项研究中得到的启示还可能导致在设计广泛的材料方面取得进展，包括陶瓷和金属。例如，陶瓷依赖于在非常高的温度下形成的离子键，这就是为什么破碎的咖啡杯不容易被修复。同样，金属也需要在高温下锻造。通过研究人员正在探索的分子调整，可以想象类似的产品可以被制造和修复，而不需要调高温度。

虽然眼前的背景是二维材料，但更广泛地说，研究人员正在开拓利用材料的有利特性而不受这些材料的限制的方法。