Черный фосфор укрепил графен до рекордных значений

Китайские ученые 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. 

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 десяти 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 эффектом 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.

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.

Химики недавно шутили над количеством исследований модификаций графена различными веществами, улучшающими его свойства, и показали, что даже куриный помет может повысить электрокаталитические свойства двумерной модификации углерода. Проверить свои знания или узнать что-то новое графене можно, пройдя наш тест «Графен или графин».

Алина Кротова