二维材料的强度来自于其原子薄的片状结构。然而，将2D材料堆叠多层会削弱其有用的特性。

研究人员照片

 
描述:方奇一(左)和楼俊站在朗缪尔-布洛杰特槽旁。

(赖斯大学古斯塔沃·拉斯科斯基摄)

莱斯大学材料科学家Jun Lou和马里兰大学的合作者表明，在一类被称为共价有机框架(COFs)的2D聚合物中，微调层间相互作用可以确定材料在多层或块体形式下的理想机械性能的损失或保留。根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，在这个过程中，研究人员设计了一种具有高刚度和强度的轻质材料，即使是多层堆叠，也能保持其2D特性。

这一发现是使2D聚合物在机械性能非常重要的大规模多功能应用中使用的第一步，并可能为新型高性能过滤系统、碳捕获和储能技术打开大门。

“这对我们来说是一个非常激动人心的起点，”楼继伟说。“COFs和其他2D聚合物的一个真正好处是，你有很多化学旋钮可以调整。这意味着您可以合理地设计层间交互。从本质上讲，你可以使用层间交互设计制作非常强大的模块化系统。”

研究人员观察了两个结构非常相似的COFs在多层叠加时的表现，发现它们结构上的微小差异导致了完全不同的层间相互作用模式。

“为了成功地设计出具有理想层间相互作用的COFs，你需要对COFs的材料结构有科学的见解，”马里兰大学机械工程教授李腾(音译)说。“为此，我们依靠分子尺度上COF材料的第一性原理模拟来提供关键的设计指南。”

样品的照片

 
共价有机框架材料的样品(如图所示，在硅胶衬底上)，研究人员发现，它保留了多层堆叠的2D机械性能。(赖斯大学古斯塔沃·拉斯科斯基摄)

该研究的共同主要作者、莱斯大学校友方奇一(Qiyi Fang)说，莱斯大学实验室根据马里兰大学同事开发的模拟的科学见解设计了两种类型的COFs。

Fang说:“与大多数2D材料一样，其中一种COFs没有很强的层间相互作用，材料的强度和弹性随着层数的增加而降低。”“然而，另一种COF表现出强烈的层间相互作用，即使添加多层也能保持其良好的力学性能。”

马里兰大学的研究人员、联合主要作者庞振谦说，模拟有助于查明为什么两种COFs表现不同。

Pang说:“我们发现后者COF中强烈的层间相互作用是由于其特殊官能团之间的氢键显著增强。”

2D材料层之间的强相互作用与材料多层或块状形式中所需机械性能的持久性相关，这一事实为研究人员提供了一个线索，即如何制造出保留其2D对应物机械性能的块状层状材料。

Lou说:“我们认为这种强烈的层间相互作用主要是由于氢键的化学作用。”“氢键是普遍存在的，存在于许多体系中。在我们的研究中，我们表明，层之间的氢键不仅非常强，而且是动态的，因为如果它们在压力下断裂，它们会随着层之间的滑动而重新形成。”

促进2d材料层之间更强的键可以削弱连接层内原子的键。

Lou说:“在其他2D材料中，层间相互作用调整是可能的，但通常发生的情况是，你将牺牲这些2D材料的强平面内键合环境，以使这些官能基团附着。”“所以这实际上是一种权衡。对于2D聚合物，你不一定要进行这种权衡。这是我们在研究中采取这个方向的非常重要的动机之一。”

二维聚合物是由相同的原子组组成的，这些原子组沿着它的每一个边缘连接着元素(官能团)。

“2D聚合物是一种设计系统，从某种意义上说，它是非常可调的，”Lou说。

在之前对二维材料的研究中，Lou和合作者已经证明了六方氮化硼(h-BN)的抗断裂性是石墨烯的10倍。

“就像在石墨烯或h-BN中一样，你仍然有这种六边形晶格结构——六个原子在一个六边形图案中，你可以无限地重复，”Lou说。“但对于2D聚合物，你也有一个连接器或节点单元，这使得六边形更大。”

重复元素越大，材料的密度就越小。

“这种COF的密度比石墨烯或h-BN低近10倍，”方说。“因此，COF的比强度和比刚度是报道中最高的。” 

Lou补充说:“这很重要，因为如果我们能证明这种2D材料与h-BN一样耐断裂，它也会明显更轻。”“当你想在不增加结构重量的情况下获得更大的强度时，这种方法很有用。

“这一发现与一些应用驱动的想法有关，”他说。“例如，COFs可以制成优秀的过滤膜。现在我们有办法设计非常坚固、非常抗断裂的多层2D聚合物，这可能是膜过滤应用的非常好的候选者。”

楼继伟表示，另一个潜在的应用是升级储能系统。

他说:“我们已经探索了用于优化锂离子电池性能的COF功能，这表明我们走在正确的道路上。”“对于所有这些应用，2D聚合物的力学性能——尤其是抗断裂性能——非常重要。”

根据Li的说法，这项研究的关键见解是“调整二级分子间键是一种有效的材料设计策略，可以使一系列具有增强性能的新材料的开发成为可能。

他说:“这与传统的材料设计方法不同，传统的材料设计方法主要依赖于初级粘结。”“用这种新策略来设计材料有很多机会。”

卢是莱斯大学材料科学和纳米工程的教授和副系主任。

陆军研究实验室(W911NF-18-2-0062)、韦尔奇基金会(C-1716)和马里兰高级研究计算中心支持这项研究。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。