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首款石墨烯“太空海綿”高溫1000℃低溫-269℃都能“扛得住”

據南開新聞網報道,經過多年持續攻關,南開大學化學學院教授陳永勝團隊聯合美國萊斯大學,于2019年4月份研究制得了一種新型三維石墨烯材料。該材料能夠承受4K(約-269℃)到1273K(約1000℃)的溫度區間,且能夠保濕良好的穩定性和高彈性,有望成為航天裝備制造領域的“太空海綿”,相關研究結果于2019年4月12日發表于《科學進展》(Science Advances)。

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高彈性材料是一類具有較大可逆形變能力的材料,例如常見的橡膠、聚合物泡沫材料等,已廣泛應用于人類生産、生活。新型高彈性材料在諸如可穿戴設備、人工肌肉、傳感器等高端研究、技術領域具有極大應用前景。

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然而,幾乎目前所有高彈性材料的彈性及其他力學性能都受溫度影響。例如,矽橡膠在高溫條件下軟化或分解;相反地,随溫度降低逐漸喪失彈性,發生玻璃化轉變而變硬、變脆。同樣的問題也存在于高彈聚合物的泡沫或海綿材料。

這種“太空海綿”材料由無序排列的單層石墨烯片通過共價鍵化學交聯而構成,在低至液氦溫區的極端低溫條件下具有與室溫下相同的力學性能,包括高度可回複的超級彈性,不變的楊氏模量(描述固體材料抵抗形變能力的物理量),近零泊松比(反映材料橫向變形的彈性常數)以及出色的抗疲勞性能。

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團隊研究人員指出,目前,尚無任何其他材料具有此種低溫超級彈性性能以及4K至1273K溫度範圍内不受溫度影響的彈性及力學性能的報道。

通過自主搭建的力學性能測試系統,陳永勝團隊精确、系統地測試了在4-1273K(約-269℃至1000℃)溫度範圍内三維石墨烯材料的各項力學性能;利用團隊改造的掃描電子顯微鏡和原位變溫樣品台,獲得了三維石墨烯材料在極端低溫和高溫條件下壓縮-回彈過程中微觀結構的變形特征;通過理論模型計算的驗證,闡明了這一新型材料溫度不變性源于石墨烯特有的sp2雜化的二維碳原子平面晶體結構。

該研究團隊指出,在深低溫條件下,石墨烯和三維石墨烯材料顯著的力學穩定性使其成為在外太空和其他極端低溫或惡劣環境中應用的最佳研究對象。其它的二維納米材料,如果具有與石墨烯類似的結構,例如石墨炔、矽烯、平面鍺以及二維Bi1—xSbx薄片,并将其作為結構單元依照類似于三維石墨烯的方式組裝起來,得到的宏觀材料也有可能充分保留二維構造單元獨特的性質,并展現出宏觀的特異性能。

據悉,該項研究由南開大學陳永勝教授團隊和美國萊斯大學Pulickel Ajayan教授團隊合作完成,獲得了國家科技部、國家自然科學基金等支持。

論文鍊接:https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav2589

本文來自南開大學,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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