Материаловед из Университета Райса Джун Лу и его коллеги из Университета Мэриленда показали, что точная настройка межслойных взаимодействий в классе двумерных полимеров, известных как ковалентные органические каркасы (COFs), может определять потерю или сохранение желаемых механических свойств материалов в многослойной или объемной форме. В ходе этого процесса исследователи разработали легкий материал с высокой жесткостью и прочностью, который сохраняет свои 2D-свойства даже в виде многослойного пакета, согласно исследованию, опубликованному в Труды Национальной академии наук.

Это открытие является первым шагом на пути к использованию 2D-полимеров в крупномасштабных многофункциональных приложениях, где важны механические свойства, и может открыть двери для новых высокопроизводительных систем фильтрации, улавливания углерода и технологий накопления энергии.

"Для нас это очень захватывающая отправная точка", - сказал Лу. "Действительно приятная особенность COFs и других 2D-полимеров заключается в том, что у вас есть множество химических регуляторов, которые вы можете настроить. Это означает, что вы можете рационально спроектировать межслойные взаимодействия. По сути, вы можете создавать очень прочные модульные системы, используя дизайн межслойного взаимодействия ".

Исследователи изучили, как ведут себя два COF с очень похожей структурой, когда несколько слоев сложены вместе, и обнаружили, что небольшая разница в их структуре приводит к совершенно разным моделям межслойного взаимодействия.

"Для успешного проектирования COF с желаемыми межслойными взаимодействиями необходимо научное понимание структуры материалов COF", - сказал Тен Ли, профессор машиностроения в Мэриленде. "С этой целью мы полагаемся на первичное моделирование материалов COF на молекулярном уровне, чтобы предложить важные рекомендации по проектированию".

Кийи Фанг, выпускница рисовых квасцов и соавтор исследования, сказала, что лаборатория риса разработала два типа кофеина, основываясь на научных данных, полученных в результате моделирования, разработанного коллегами из Мэриленда.

"Один из COF, как и большинство 2D-материалов, не обладает очень сильным межслойным взаимодействием, и прочность и эластичность материала уменьшаются с увеличением количества добавляемых слоев", - сказал Фанг. "Однако другой COF демонстрирует сильное межслойное взаимодействие и сохраняет свои хорошие механические свойства даже при добавлении нескольких слоев".

Исследователь из Мэриленда и соавтор исследования Чжэньцянь Панг сказал, что моделирование помогло точно определить, почему два COF вели себя по-разному.

"Мы обнаружили, что сильное межслойное взаимодействие в последнем COF является результатом значительно усиленных водородных связей между его особыми функциональными группами", - сказал Панг.

Тот факт, что сильные взаимодействия между слоями двумерного материала коррелируют с сохранением желаемых механических свойств в многослойной или объемной форме материала, дает исследователям представление о том, что требуется для создания многослойного материала, который сохраняет механические свойства своего двумерного аналога.

"Мы полагаем, что это сильное межслойное взаимодействие в первую очередь обусловлено химией водородной связи", - сказал Лу. "Водородные связи универсальны и встречаются во многих системах. В нашем исследовании мы показываем, что эти водородные связи между слоями не только довольно прочны, но и динамичны в том смысле, что если они разрываются под напряжением, то восстанавливаются по мере того, как слои скользят друг по другу ".

Создание более прочных связей между слоями двумерного материала может ослабить связи, соединяющие атомы внутри слоя.

"Настройка межслойного взаимодействия возможна в других двумерных материалах, но обычно происходит так, что вы собираетесь пожертвовать прочной средой склеивания в плоскости этих двумерных материалов, чтобы прикрепить эти функциональные группы", - сказал Лу. "Так что на самом деле это компромисс. С 2D-полимерами вам не обязательно идти на такой компромисс. Это одна из очень важных причин для того, чтобы выбрать это направление в наших исследованиях".

Двумерный полимер состоит из идентичных групп атомов со связующими элементами - функциональными группами - вдоль каждого из его краев.

"2D polymer - это своего рода дизайнерская система в том смысле, что она очень легко настраивается", - сказал Лу.

В предыдущих исследованиях 2D-материалов Лу и его коллеги показали, что гексагональный нитрид бора (h-BN) в 10 раз более устойчив к разрушению, чем графен.

"Как и в графене или h-BN, у вас все еще есть эта гексагональная структура решетки - шесть атомов в шестиугольном узоре, который вы повторяете бесконечно", - сказал Лу. "Но для 2D-полимера у вас также есть компоновщик или узловой узел, который делает этот шестиугольник больше".

Больший повторяющийся элемент означает, что материал менее плотный.

"Этот COF почти в 10 раз менее плотный, чем графен или h-BN", - сказал Фанг. "В результате удельная прочность и удельная жесткость COF являются одними из самых высоких, о которых сообщалось".

"Это важно, потому что, если мы сможем показать, что этот 2D-материал так же устойчив к разрушению, как h-BN, он также значительно легче", - добавил Лу. "Когда вам нужна большая прочность без увеличения веса вашей конструкции, это может быть полезно.

"Это открытие относится к некоторым из наиболее ориентированных на применение идей", - сказал он. "Например, из COFs могли бы получиться отличные фильтрующие мембраны. Теперь у нас есть способ создать очень прочные, устойчивые к разрушению многослойные 2D-полимеры, которые могли бы стать очень хорошими кандидатами для применения в мембранной фильтрации ".

Лу сказал, что еще одно потенциальное применение заключается в модернизации накопителей энергии.

"Мы уже изучили функциональность COF для оптимизации производительности литий-ионных аккумуляторов, и это показывает, что мы на правильном пути", - сказал он. "Для всех этих применений механические свойства двумерных полимеров, особенно с точки зрения стойкости к разрушению, очень важны".

По словам Ли, ключевой вывод исследования заключается в том, что "настройка вторичных межмолекулярных связей является эффективной стратегией проектирования материалов, которая может позволить разработать множество новых материалов с улучшенными свойствами.

"Это отличается от традиционных методов проектирования материалов, которые в значительной степени основаны на первичном склеивании", - сказал он. "С помощью этой новой стратегии открываются широкие возможности для разработки материалов".

Лу - профессор и доцент кафедры материаловедения и наноинженерии университета Райса.

Армейская исследовательская лаборатория (W911NF-18-2-0062 ), Фонд Уэлча (C-1716) и Мэрилендский вычислительный центр передовых исследований поддержали исследование.