導(dǎo)讀
最近，美國(guó)紐約市立大學(xué)開(kāi)發(fā)出一種制造新材料“diamene”的工藝，diamene 是一種柔韌的分層石墨烯薄片，短時(shí)間內(nèi)比鉆石更硬，對(duì)于任何沖擊來(lái)說(shuō)幾乎堅(jiān)不可摧。
背景
石墨烯，是一種具有眾多卓越特性的二維材料，它具有單層碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，厚度僅是人類發(fā)絲直徑的百萬(wàn)分之一，而強(qiáng)度卻勝過(guò)鋼鐵百倍，導(dǎo)電性能卻勝過(guò)銅，所以非常適合用于電子器件。對(duì)于石墨烯的相關(guān)特性和用途介紹，筆者在之前很多篇文章中都有過(guò)提及，這里就不一一贅述了。
今天，讓我們想象石墨烯的另外一種奇特的用途：將它制成一種柔韌且輕量的金屬薄片，而且變得足夠堅(jiān)硬，甚至可以抵擋得住子彈的沖擊。
（圖片來(lái)源：Red Orbit）
創(chuàng)新
在一篇發(fā)表于《自然納米技術(shù)》的論文中，美國(guó)紐約市立大學(xué)（CUNY）描述了一種制造新材料“diamene”的工藝。diamene 是一種柔韌的分層石墨烯薄片，短時(shí)間內(nèi)比鉆石更硬，對(duì)于任何沖擊來(lái)說(shuō)幾乎堅(jiān)不可摧。
（圖片來(lái)源：Ella Maru Studio）
技術(shù)
紐約市立大學(xué)研究生中心高級(jí)科學(xué)研究中心（ASRC）的科學(xué)家們致力于雙層石墨烯的理論化和測(cè)試。每一層石墨烯只有一個(gè)原子的厚度，可在室溫條件下轉(zhuǎn)化為類似鉆石的材料，且經(jīng)受得住猛烈的沖擊。團(tuán)隊(duì)也發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生這種轉(zhuǎn)化的時(shí)刻，會(huì)引發(fā)電流突然減少，這也說(shuō)明 diamene 的電子和自旋電子特性也非常吸引人。
ASRC 物理學(xué)教授以及項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)研究員 Elisa Riedo 表示，這是有史以來(lái)具有鉆石般硬度且最薄的膜。之前，當(dāng)我們測(cè)試石墨或者單層石墨烯時(shí)，我們會(huì)施加壓力，感受到的薄膜是非常柔軟的。但當(dāng)石墨薄膜只有兩層厚度，突然間我們意識(shí)到這種材料受到壓力時(shí)，將變得極度堅(jiān)硬，甚至比鉆石更硬。
研究團(tuán)隊(duì)成員、CUNY 斯塔滕島學(xué)院的化學(xué)系副教授 Angelo Bongiorno 開(kāi)發(fā)出了制造 diamene 的理論。當(dāng)給兩層蜂巢狀的石墨烯層（通過(guò)不同的配置對(duì)齊）施加壓力時(shí)，他和同事們使用微型計(jì)算機(jī)為潛在的結(jié)果建模。然后，Riedo 和其他團(tuán)隊(duì)成員然后使用原子力顯微鏡，為處于碳化硅襯底上的兩層石墨烯施加局部壓力，而且發(fā)現(xiàn)與計(jì)算結(jié)果完全一致。實(shí)驗(yàn)和理論都顯示，這種石墨烯向鉆石的轉(zhuǎn)變不會(huì)發(fā)生于兩層以上或者單層的石墨烯層。
Bongiorno，石墨和鉆石都完全由碳原子組成，但是碳原子在這兩種材料中的排列方式不同。如下圖所示，一個(gè)光亮堅(jiān)硬，一個(gè)烏黑柔軟。因此，它們?cè)谟捕?、柔韌度和導(dǎo)電程度等方面都具有不同的特性。
（圖片來(lái)源于：維基百科）
價(jià)值
研究人員的新技術(shù)讓他們可以操控石墨，使其在特殊條件下，發(fā)揮有益特性。這項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)將很可能應(yīng)用于耐磨的防護(hù)涂層以及超輕防彈膜。
另外根據(jù)研究論文，研究團(tuán)隊(duì)的工作成功地為研究二維材料中石墨到鉆石的相變，開(kāi)啟了新的可能性。未來(lái)的研究將探索新方法，用于穩(wěn)定這種轉(zhuǎn)化以及產(chǎn)生出的材料的進(jìn)一步應(yīng)用。
關(guān)鍵字
石墨烯、鉆石、二維材料
參考資料
【1】http://www.asrc.cuny.edu/2017/12/18/diamene-study/
【2】Yang Gao et al, Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer graphene, Nature Nanotechnology (2017). DOI: 10.1038/s41565-017-0023-9
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