石墨烯,是一种具有众多卓越特性的二维材料,它具有单层碳原子组成的蜂窝状结构,厚度仅是人类发丝直径的百万分之一,而强度却胜过钢铁百倍,导电性能却胜过铜,所以非常适合用于电子器件。对于石墨烯的相关特性和用途介绍,笔者在之前很多篇文章中都有过提及,这里就不一一赘述了。
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(图片来源:Tatiana Shepeleva/Shutterstock)
今天,让我们想象石墨烯的另外一种奇特的用途:将它制成一种柔韧且轻量的金属薄片,而且变得足够坚硬,甚至可以抵挡得住子弹的冲击。
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(图片来源:Red Orbit)
创新
在一篇发表于《自然纳米技术》的论文中,美国纽约市立大学(CUNY)描述了一种制造新材料“diamene”的工艺。diamene 是一种柔韧的分层石墨烯薄片,短时间内比钻石更硬,对于任何冲击来说几乎坚不可摧。
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(图片来源:Ella Maru Studio)
技术
纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心(ASRC)的科学家们致力于双层石墨烯的理论化和测试。每一层石墨烯只有一个原子的厚度,可在室温条件下转化为类似钻石的材料,且经受得住猛烈的冲击。团队也发现,在发生这种转化的时刻,会引发电流突然减少,这也说明 diamene 的电子和自旋电子特性也非常吸引人。
ASRC 物理学教授以及项目的领导研究员 Elisa Riedo 表示,这是有史以来具有钻石般硬度且最薄的膜。之前,当我们测试石墨或者单层石墨烯时,我们会施加压力,感受到的薄膜是非常柔软的。但当石墨薄膜只有两层厚度,突然间我们意识到这种材料受到压力时,将变得极度坚硬,甚至比钻石更硬。
研究团队成员、CUNY 斯塔滕岛学院的化学系副教授 Angelo Bongiorno 开发出了制造 diamene 的理论。当给两层蜂巢状的石墨烯层(通过不同的配置对齐)施加压力时,他和同事们使用微型计算机为潜在的结果建模。然后,Riedo 和其他团队成员然后使用原子力显微镜,为处于碳化硅衬底上的两层石墨烯施加局部压力,而且发现与计算结果完全一致。实验和理论都显示,这种石墨烯向钻石的转变不会发生于两层以上或者单层的石墨烯层。
Bongiorno,石墨和钻石都完全由碳原子组成,但是碳原子在这两种材料中的排列方式不同。如下图所示,一个光亮坚硬,一个乌黑柔软。因此,它们在硬度、柔韧度和导电程度等方面都具有不同的特性。
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(图片来源于:维基百科)
价值
研究人员的新技术让他们可以操控石墨,使其在特殊条件下,发挥有益特性。这项新发现将很可能应用于耐磨的防护涂层以及超轻防弹膜。
另外根据研究论文,研究团队的工作成功地为研究二维材料中石墨到钻石的相变,开启了新的可能性。未来的研究将探索新方法,用于稳定这种转化以及产生出的材料的进一步应用。