Китайські вчені синтезували рекордно міцні тонкі плівки на основі графена. Змішавши графен зі слоїстим чорним фосфором (фосфореном) і органічною речовиною, молекула якої містить два плоских ароматичних фрагмента, автори змогли отримати плівки з рекордним значенням енергії граничної деформації в 52 мегаджоулі на кубічний метр і в два рази поліпшеними властивостями електро- і теплопровідності. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Графен, шар з вуглецевих атомів товщиною в один атом, володіє унікальними електронними і механічними властивостями, що потенційно робить його затребуваним у великій кількості областей науки і техніки. Багато методів створення тонких плівок на основі графена не дозволяють задавати тип взаємодій між площинами аркушів, в результаті чого напруга в структурі розподіляється неефективно, і плівки виходять не дуже міцними. Аналогічно тривимірним, міцність почесних матеріалів можна підвищити запобігаючи освіті та зростанню тріщин або створюючи пластично деформовані матеріали.
Нещодавно вчені показали, що різні зв'язки між площинами, такі як водневі зв'язки, іонні зв'язки, лід-^ взаємодії і ковалентні зв'язки покращують міцність графена. Такі міжплоскісткові ефекти можуть не тільки запобігти утворенню тріщин у плівці, а й поліпшити властивості, пов'язані з пластичною деформацією.
Графен часто порівнюють з фосфореном - почесним прошарковим матеріалом з чорного фосфору. На відміну від графена, у фосфорена є заборонена зона, ширину якої можна змінювати, модифікуючи структуру матеріалу, чим він з 2014 року зацікавив вчених.
Надихнувшись структурою перламутру, який складається з шестикутних платівок кристалів карбонату кальцію, розташованих паралельними шарами і пов'язаними еластичними біополімерами, Тяньчжу Чжоу (Tianzhu Zhou) з колегами з Бейханьського університету синтезували найміцнішу плівку з графена, фосфорена і полімеру. Вони змішали суспензії оксиду графена і фосфорену, відфільтрували суміш під вакуумом і сушили 12 годин при температурі 50 градусів Цельсія. Потім, щоб позбутися окислених функціональних груп, відновили йодоводнем і промили етанолом. Отримані плівки помістили в розчин органічної речовини (1-амінопірен-дисукцінімідил суберата), молекули якого містять дві пов'язані плоскі ароматичні піренові ділянки, які нагадують частину графенового листа.
Енергія граничної деформації (кількість енергії, яка матеріал може поглинути до руйнування) отриманого матеріалу досягала рекордного значення - майже 52 мегаджоулі на кубічний метр, а межа міцності на розтягнення досягала 653 мегапаскалів. Конденсатор з нового матеріалу виявився дуже гнучким, і навіть після десяти тисяч циклів згинання на 180 градусів автори не помітили погіршення ємності.
Дослідження раманівської спектроскопії та симуляції молекулярної динаміки показали, що міцність отриманого матеріалу забезпечується синергетичним ефектом трьох процесів. Фосфорен, що розташувався між графеновими листами, відігравав роль мастила і запобігав руйнуванню хімічних зв'язків, що утворилися ковалентні зв'язки Р-О-С між атомами фосфору, кисню і вуглецю, зменшили порожнечі між шарами графену, зробивши його більш компактним, а стекінг (лід-лад-взаємодії) органічних молекул з графеновими нанолістами ще і дозволив їх впорядкувати.
Ці ж ефекти і поліпшили електричні властивості графена: питома електропровідність плівки виявилася майже 500 сіменс на сантиметр, що більш ніж удвічі вище значень електропровідності чистого графена. Автори змогли спостерігати і аналогічне поліпшення теплопровідності, вона склала більше 50 Ватт на метр на кельвін, і ефективності екранування електромагнітного випромінювання: загальний коефіцієнт загасання хвилі частотою 8 гігагерц електромагнітного випромінювання в матеріалі склав майже 30 децибел.
Хіміки нещодавно жартували над кількістю досліджень модифікацій графену різними речовинами, що поліпшують його властивості, і показали, що навіть курячий послід може підвищити електрокаталітичні властивості почесної модифікації вуглецю. Перевірити свої знання або дізнатися щось нове графені можна, пройшовши наш тест «Графен або графин».