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首款石墨烯“太空海绵”高温1000℃低温-269℃都能“扛得住”

据南开新闻网报道,经过多年持续攻关,南开大学化学学院教授陈永胜团队联合美国莱斯大学,于2019年4月份研究制得了一种新型三维石墨烯材料。该材料能够承受4K(约-269℃)到1273K(约1000℃)的温度区间,且能够保湿良好的稳定性和高弹性,有望成为航天装备制造领域的“太空海绵”,相关研究结果于2019年4月12日发表于《科学进展》(Science Advances)。

首款石墨烯“太空海绵”高温1000℃低温-269℃都能“扛得住”

高弹性材料是一类具有较大可逆形变能力的材料,例如常见的橡胶、聚合物泡沫材料等,已广泛应用于人类生产、生活。新型高弹性材料在诸如可穿戴设备、人工肌肉、传感器等高端研究、技术领域具有极大应用前景。

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然而,几乎目前所有高弹性材料的弹性及其他力学性能都受温度影响。例如,硅橡胶在高温条件下软化或分解;相反地,随温度降低逐渐丧失弹性,发生玻璃化转变而变硬、变脆。同样的问题也存在于高弹聚合物的泡沫或海绵材料。

这种“太空海绵”材料由无序排列的单层石墨烯片通过共价键化学交联而构成,在低至液氦温区的极端低温条件下具有与室温下相同的力学性能,包括高度可回复的超级弹性,不变的杨氏模量(描述固体材料抵抗形变能力的物理量),近零泊松比(反映材料横向变形的弹性常数)以及出色的抗疲劳性能。

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团队研究人员指出,目前,尚无任何其他材料具有此种低温超级弹性性能以及4K至1273K温度范围内不受温度影响的弹性及力学性能的报道。

通过自主搭建的力学性能测试系统,陈永胜团队精确、系统地测试了在4-1273K(约-269℃至1000℃)温度范围内三维石墨烯材料的各项力学性能;利用团队改造的扫描电子显微镜和原位变温样品台,获得了三维石墨烯材料在极端低温和高温条件下压缩-回弹过程中微观结构的变形特征;通过理论模型计算的验证,阐明了这一新型材料温度不变性源于石墨烯特有的sp2杂化的二维碳原子平面晶体结构。

该研究团队指出,在深低温条件下,石墨烯和三维石墨烯材料显著的力学稳定性使其成为在外太空和其他极端低温或恶劣环境中应用的最佳研究对象。其它的二维纳米材料,如果具有与石墨烯类似的结构,例如石墨炔、硅烯、平面锗以及二维Bi1—xSbx薄片,并将其作为结构单元依照类似于三维石墨烯的方式组装起来,得到的宏观材料也有可能充分保留二维构造单元独特的性质,并展现出宏观的特异性能。

据悉,该项研究由南开大学陈永胜教授团队和美国莱斯大学Pulickel Ajayan教授团队合作完成,获得了国家科技部、国家自然科学基金等支持。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav2589

本文来自南开大学,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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