扭曲晶体,石墨烯新结构形似海绵比铁硬

据英国《独立报》1月8日报道,美国麻省理工学院的科学家通过按压并熔化石墨烯薄片,制造出迄今最轻质坚固的材料之一——一种多孔的三维石墨烯结构,其形状类似海绵,密度仅为铁的5%,但坚固程度为铁的10倍多。

只要简单地扭转手指,就能从一副纸牌中创造出一个美丽的螺旋。同样地,加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们,已经创造出了一种新的无机晶体,这种晶体由一堆堆原子般薄的薄片组成,这些薄片出人意料地螺旋形,就像一个纳米级的扑克牌。在发表在《自然》上的一项新研究报告称,令人惊讶的结构可能产生独特的光学、电子和热特性,包括超导性。

石墨烯在二维形式时被认为是最坚固的材料,但研究人员一直很难将其二维形式下的坚固强度,转化到有用的三维材料内。在最新研究中,研究团队通过施加热和压力,将石墨烯小薄片按压在一起,制造出一种复杂稳定类似珊瑚和硅藻类生物的结构。新结构名为“螺旋二十四面体”,其表面积相对体积来说很大,但非常坚固。

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研究团队负责人、MIT土木和环境工程系主任马库斯·比勒解释说:“石墨烯这种二维材料仅一个原子厚,拥有独特的坚固程度和电学属性,但由于太纤薄,很难制成三维材料。不过,我们的最新研究做到了这一点。”

这些螺旋状晶体由多层硫化锗构成,硫化锗是一种半导体材料,与石墨烯类似,很容易形成只有几个原子甚至单个原子厚度的薄片。这种“纳米片”通常被称为“二维材料”。加州大学伯克利分校材料科学与工程助理教授姚洁说:没有人预料到二维材料会以这种方式生长,这就像一个惊喜的礼物,我们相信这将为材料研究带来巨大的机遇。晶体的形状可能与DNA相似,而DNA螺旋结构对其携带遗传信息的功能至关重要,但底层结构实际上是截然不同的。

比勒指出:“石墨烯在热和压力作用下自然形成的这一几何形状非常复杂,用传统方法不可能制造出来。”在实验中,研究人员用3D打印机制造出扩大数千倍的结构,并对其进行测试,得到了上述结果。

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这项近日发表在《科学进步》杂志上的新研究表明,新结构的优异性能更大程度源于这一独特的构造而非材料本身。这意味着,科学家可以将其他材料制成同样的几何形状,来获得同样强度的轻质材料。

与“有机”DNA不同,“无机”DNA主要由碳、氧和氢等我们熟悉的原子构成,而这些“无机”晶体则是由元素周期表中更广泛的元素构成——在这种情况下,是硫和锗。由于有机分子的主要成分碳具有独特性质,形状往往千奇百怪,而无机分子则更倾向于直线型和窄型。为了创造扭曲的结构,研究小组利用了一种叫做螺旋位错的晶体缺陷,这是有序晶体结构中的一种“错误”,它会产生一定的扭曲力。

研究人员认为,同样的几何形状甚至能应用于更大块头的结构材料。比如,制造桥梁的水泥可制成同样的多孔几何形状,在降低重量的同时获得同样的坚固程度。此外,由于这一形状内充满了细小的孔隙,因此,有望用于过滤水或化学物质。

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这种以科学家约翰·d·埃舍比(John D. Eshelby)名字命名的“埃舍比扭曲”(Eshelby Twist),已经被用来制造像松树一样螺旋状的纳米线。但是这项研究是第一次将埃舍比扭转用于制造由原子厚度的半导体二维层叠加而成的晶体。通常,人们讨厌材料上的缺陷——想要一个完美的晶体,但这一次,我们不得不感谢这些缺陷,它们让我们在材料层之间创造出一种自然的扭曲。

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在去年的一项重大发现中,当两片原子厚度的石墨烯以所谓“魔角”堆叠和扭曲时,石墨烯就会成为超导材料。虽然其他研究人员已经成功地一次叠加两层,但这篇新论文提供了一种合成叠加结构的方法,这种结构可以以连续扭曲的方式叠加数十万层甚至数百万层。论文第一作者之一、加州大学伯克利分校材料科学与工程专业研究生刘音表示:观察到扭曲晶体中离散台阶的形成,它将光滑扭曲的晶体转变为圆形楼梯,这是一种与埃舍比扭曲机制相关的新现象。

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www.hj9292.com,令人惊讶的是,材料之间的相互作用可以产生许多不同、美丽的几何形状。通过调整材料的合成条件和长度,研究人员可以改变层与层之间的角度,创造出一种扭曲的结构,这种结构要么像弹簧一样紧,要么像弹簧一样松。虽然研究小组通过生长硫化锗的螺旋晶体演示了这项技术,但它很可能被用于生长其他形成类似原子薄层的材料层。材料科学与工程系系主任、资深理论家达里尔•克赞在论文中表示:这种扭曲的结构源自存储能量与相对滑动两层材料能源成本之间的竞争。

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没有理由期望这种竞争仅限于硫化锗,而类似的结构应该在其他二维材料体系中也能实现。这些层状材料的扭曲行为,通常只有两层以不同角度扭曲,已经显示出巨大的潜力,并吸引了物理和化学界的大量关注。现在,随着所有这些扭曲层在新材料中结合起来,发现它们是否会显示出与这些材料常规堆积不同的材料特性变得非常有趣,但目前,对这些性质的了解非常有限,因为这种材料是如此的新,新的机遇在等着我们。

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