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石墨烯讓碳納米管氣凝膠變堅韌

作者：中國科學院成都有機化學有限公司來源：http://m.chun-tian.cn 日期：2013-01-09 08:45:26

美國賓夕法尼亞州匹茲堡卡內基·梅隆大學的研究人員在易碎的碳納米管氣凝膠上覆蓋石墨烯涂層，使其猶如穿上超人斗篷一樣，在強度壓力下一改易塌癟狀態而轉變得堅韌耐壓，而當卸除負載后又可完全恢復原狀。該研究結果刊登在《自然·納米技術》雜志上。

研究人員說，他們演示的碳納米管網狀物從脆弱性轉變成超彈性，僅僅是通過石墨烯涂層實現的，其所提供的超彈性和耐疲勞性，將使碳納米管氣凝膠在包括電極材料、人工肌肉和其他機械結構等各種領域得以廣泛應用。

通常情況下，涂層增加了材料耐腐蝕、潤滑、美觀、表面化學變更、密封等特性，但不利于力學性能的變化。研究人員說：“正常的凝膠大多是由使其表面交錯相連的網狀液體材料構成，氣凝膠是用氣體更換了凝膠中的液體材料。在臨界溫度把凝膠烘干，由此產生的氣凝膠是體積上由99.9％空氣組成的輕質材料，但也具有干燥、剛性好、堅實如固體的特點。”

在目前的研究中，研究人員采用已添加了空氣的碳納米管氣凝膠，其由約1微米長的分散的碳納米管構成。碳納米管氣凝膠在壓力下會保有其形狀，是因為在節點的分子間相互作用，碳納米管會在各個點上相互交叉。然而，當將這些氣凝膠在其原來大小基礎上壓縮高達90%的程度時，它們即會倒塌或導致永久性變形，以此限制了其潛在的應用。

在非涂層的氣凝膠里，強力壓縮后，在節點上支持氣凝膠網狀結構的支柱可以彎曲和自由旋轉，從而增加了碳納米管和形成的新節點之間的接觸面積。當去除負載后，恢復這些節點到原狀則需要比施加壓力更多的力量。正因為碳納米管氣凝膠沒有恢復之力來突破壓縮過程中形成的新節點，由此不會回到原來的形狀。

為了克服這種缺乏彈性的問題，研究人員在碳納米管氣凝膠上涂上1到5層石墨烯涂料。研究人員認為，石墨烯涂層可加強節點支柱，賦予其超彈特性。相比之下，強力壓縮節點時，覆蓋石墨烯涂層的碳納米管氣凝膠具有強大的支柱不易旋轉，在節點上的石墨烯會被壓縮和弄皺，而這樣的石墨烯薄片會提供恢復力，像彈簧一樣打破所形成的新節點。

研究表明，涂有石墨烯的碳納米管氣凝膠可以經受高度壓縮，之后可反彈恢復到其原來的形狀。其可承受超過100萬次的壓縮循環，并在壓力釋放后仍能恢復其原來的形狀。如此不僅能夠使氣凝膠抵擋住強力壓縮變成超彈性材料，同時還保持了其多孔性和導電性等屬性。顯然，該特性為未來新的氣凝膠應用打開了一扇大門。

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