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贻贝灵感缺陷工程增强了石墨烯纤维的机械强度

发布时间:2019-02-24 10:50:03 来源:

研究人员展示了贻贝对石墨烯纤维的增强作用,以改善不同的材料特性。Sang Ouk Kim教授的一个研究小组将聚多巴胺用作有效的渗透粘合剂,以实现石墨烯基液晶纤维的高机械和电气性能。

这种生物启发的缺陷工程与先前使用绝缘粘合剂的尝试明显不同,并提出了柔性和可穿戴设备以及低成本结构材料的多种应用的巨大潜力。两步缺陷工程解决了在纤维纺丝过程中石墨烯层的折叠和起皱引起的石墨烯纤维的固有限制。

生物启发的石墨烯纤维具有广泛的应用前景,包括柔性电子产品,多功能纺织品和可穿戴传感器。2009年,该研究小组在水介质中发现了氧化石墨烯液晶,同时引入了有效的净化工艺来去除离子杂质。通常由水性氧化石墨烯液晶分散体湿法纺丝的石墨烯纤维预期表现出优异的导热性和导电性以及出色的机械性能。

尽管如此,由于石墨烯纤维内的氧化石墨烯层的弯曲和起皱引起的缺陷和空隙的固有形成,它们的机械强度和电/热导率仍然远低于期望的理想值。因此,找到构造具有强层间相互作用的致密堆积石墨烯纤维的有效方法是主要挑战。

Kim教授的团队专注于多巴胺的粘附特性,多巴胺是一种以天然贻贝为灵感而开发的聚合物,可以解决这个问题。在各种领域中研究的该功能聚合物可以增加石墨烯层之间的粘附性并防止结构缺陷。

Kim教授的研究小组成功地制造出具有受控结构缺陷的高强度石墨烯液晶纤维。他们还通过聚多巴胺的后碳化过程制造了具有改善的导电性的纤维。

基于多巴胺随后的高温退火与石墨烯结构相似的理论,该团队优化了多巴胺聚合条件,解决了现有石墨烯纤维固有的缺陷控制问题。

他们还证实,由于多巴胺分子中氮的影响,多巴胺的物理性质在电导率方面得到改善,而不损害电导率,这是常规聚合物的基本限制。

领导这项研究的金教授说:“尽管有技术潜力,但使用石墨烯液晶的碳纤维在结构限制方面仍然存在局限性。” 该技术将应用于复合纤维制造和各种可穿戴纺织品应用设备。“作为第一作者的In-Ho Kim博士参与的这项工作于10月4日被选为Advanced Materials的封面纸。

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