Китайские учение синтезировали рекордно прочные тонкие пленки на основе графена. Смешав графен со слоистым черным фосфором (фосфореном) и органическим веществом, молекула которого содержит два плоских ароматических фрагмента, авторы смогли получить пленки с рекордным значением энергии предельной деформации в 52 мегаджоуля на кубический метр и в два раза улучшенными свойствами электро- и теплопроводности. Результаты исследования опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Графен, слой из углеродных атомов толщиной в один атом, обладает уникальными электронными и механическими свойствами, что потенциально делает его востребованным в большом количестве областей науки и техники. Многие методы создания тонких пленок на основе графена не позволяют задавать тип взаимодействий между плоскостями листов, в результате чего напряжение в структуре распределяется неэффективно, и пленки получаются не очень прочными. Аналогично трехмерным, прочность двумерных материалов можно повысить предотвращая образование и рост трещин или создавая пластически деформируемые материалы.

Недавно ученые показали, что различные связи между плоскостями, такие как водородные связи, ионные связи, π-π взаимодействия и ковалентные связи улучшают прочность графена. Такие межплоскостные эффекты могут не только предотвратить образование трещин в пленке, но и улучшить свойства, связанные с пластической деформацией.

Графен часто сравнивают с фосфореном — двумерным слоистым материалом из черного фосфора. В отличие от графена, у фосфорена есть запрещенная зона, ширину которой можно изменять, модифицируя структуру материала, чем он с 2014 года заинтересовал ученых.

Вдохновившись структурой перламутра, который состоит из шестиугольных пластинок кристаллов карбоната кальция, расположенных параллельными слоями и связанными эластичными биополимерами, Тяньчжу Чжоу (Tianzhu Zhou) с коллегами из Бэйханьского университета синтезировали прочнейшую пленку из графена, фосфорена и связующего полимера. Они смешали суспензии оксида графена и фосфорена, отфильтровали смесь под вакуумом и сушили 12 часов при температуре 50 градусов Цельсия. Затем, чтобы избавиться от окисленных функциональных групп, восстановили йодоводородом и промыли этанолом. Полученные пленки поместили в раствор органического вещества (1-аминопирен-дисукцинимидил суберата), молекулы которого содержат два связанных плоских ароматических пиреновых участка, которые напоминают часть графенового листа.

Схема синтеза пленок из модифицированного фосфореном и 1-аминопирен-дисукцинимидил субератом графена
Схема синтеза пленок из модифицированного фосфореном и 1-аминопирен-дисукцинимидил субератом графена

Энергия предельной деформации (количество энергии, которое материал может поглотить до разрушения) полученного материала достигала рекордного значения — почти 52 мегаджоуля на кубический метр, а предел прочности на растяжение достигал 653 мегапаскалей. Конденсатор из нового материала оказался очень гибким, и даже после дести тысяч циклов сгибания на 180 градусов авторы не заметили ухудшения емкости.

Исследования рамановской спектроскопии и симуляции молекулярной динамики показали, что прочность полученного материала обеспечивается синергетическим эффектов трех процессов. Расположившийся между графеновыми листами фосфорен играл роль смазки и предотвращал разрушение химических связей, образовавшиеся ковалентные связи Р-О-С между атомами фосфора, кислорода и углерода, уменьшили пустоты между слоями графена, сделав его более компактным, а стэкинг (π-π-взаимодействия) органических молекул с графеновыми нанолистами еще и позволил их упорядочить.

Молекулярно-динамическое моделирование процесса растяжения пленки на основе графена
Молекулярно-динамическое моделирование процесса растяжения пленки на основе графена
Молекулярно-динамическое моделирование процесса растяжения пленки на основе графена
Молекулярно-динамическое моделирование процесса растяжения пленки на основе графена

Эти же эффекты и улучшили электрические свойства графена: удельная электропроводность пленки оказалась почти 500 сименс на сантиметр, что более чем в два раза выше значений электропроводности чистого графена. Авторы смогли наблюдать и аналогичное улучшение теплопроводности, она составила более 50 Ватт на метр на кельвин, и эффективности экранирования электромагнитного излучения: общий коэффициент затухания волны частотой 8 гигагерц электромагнитного излучения в материале составил почти 30 децибел.