چین‌های گیره‌ای استحکام الاستیک بالاتری را برای لایه‌های گرافن ایجاد می‌کنند

ورقه های گرافن دو بعدی پتانسیل بالایی برای استفاده در ساخت فیلم های ماکروسکوپی نشان می دهند، زیرا به دلیل استحکام درون صفحه ای خود دارای خواص مکانیکی استثنایی هستند 1، 2، 3، 4، 5، 6. بهبود در ترتیب انباشته شدن ورق های دو بعدی مسطح منجر به بهبودهای متناظر در استحکام و چقرمگی چنین فیلم هایی شده است 7، 8، 9، 10، 11.

علاوه بر این، مدولاسیون ترکیب فضایی واحدهای منفرد، توسعه مواد معیار با خواص برتر را امکان پذیر کرده است 12، 13; با این حال، این امر در مورد ورق های دو بعدی مبهم باقی مانده است. در اینجا ما یک استراتژی برای تهیه لایه‌های گرافن با ترکیبی از استحکام بالا (2.9 گیگا پاسکال)، چقرمگی (84.5 MJ m-3) و کرنش الاستیک (5٪) گزارش می‌کنیم. ما این دستاوردهای عملکرد را به ساختار لایه‌ای تاشو که با مونتاژ مدولار از تکه‌های اکسید گرافن چند لایه تا شده سطحی به دست می‌آید نسبت می‌دهیم.

ما یک انتقال کشش به فشار توپولوژی زنجیره نیرو را شناسایی می‌کنیم و یک استراتژی انتقال تنش قفل برشی را در فیلم گرافن لایه‌ای تاشو پیشنهاد می‌کنیم که پیشرفت در خواص مکانیکی را ممکن می‌سازد. این کار طراحی مدولار ترکیب فضایی دانه‌های دو بعدی را در مقیاس بزرگ نشان می‌دهد و عملکرد فیلم‌های ماکروسکوپی را برای کاربردهای بالقوه در اجزای ساختاری سبک وزن بهبود می‌بخشد.

این یک پیش نمایش از محتوای اشتراک است، دسترسی از طریق موسسه شما

به Nature و 54 مجله Nature Portfolio دیگر دسترسی داشته باشید

Nature+ را دریافت کنید، بهترین اشتراک دسترسی آنلاین ما

قیمت‌ها ممکن است مشمول مالیات‌های محلی باشد که در هنگام تسویه حساب محاسبه می‌شود

تمام داده های حمایت کننده از یافته های این مطالعه در مقاله و اطلاعات تکمیلی یا از نویسنده مربوطه در صورت درخواست موجود است. داده های منبع با این مقاله ارائه شده است.

Lee, C., Wei, X., Kysar, J. W. & Hone, J. اندازه گیری خواص الاستیک و استحکام ذاتی گرافن تک لایه. Science 321, 385-388 (2008).

گلبرگ، دی و همکاران. نانولوله ها و نانوصفحات نیترید بور. ACS Nano 4، 2979–2993 (2010).

Nicolosi, V., Chhowalla, M., Kanatzidis, M. G., Strano, M. S. & Coleman, J. N. لایه برداری مایع از مواد لایه ای. Science 340 , 1226419 (2013).

لیپاتوف، A. و همکاران. خواص کشسانی تک لایه ها و دولایه های 2D Ti 3 C 2 Tx MXene. علمی Adv. 4, eaat0491 (2018).

Tan, C. L. و همکاران. پیشرفت های اخیر در نانومواد دو بعدی فوق نازک شیمی. Rev. 117, 6225–6331 (2017).

Li, Y., Lian, W. & Cheng, Q. نانوکامپوزیت های دوبعدی مبتنی بر کربن با الهام از nacre با کارایی بالا. Adv. ماتر 37, 2501932 (2025).

Putz، K. W. و همکاران. تکامل نظم در طول خودآرایی کاغذ گرافن اکسید و نانوکامپوزیت‌های پلیمری مرتبط با خلاء. ACS Nano 5, 6601–6609 (2011).

ژونگ، جی و همکاران. سنتز کارآمد و مقیاس‌پذیر فیلم‌های نانو ورق دوبعدی بسیار تراز و فشرده با کارایی رکورد. نات. اشتراک. 9 , 3484 (2018).

لی، پی و همکاران کاغذهای گرافن کریستالی پیوسته با استحکام گیگاپاسکال توسط پلاستیک سازی مدوله شده با مدولاسیون. نات. اشتراک. 11, 2645 (2020).

مقاله CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

ژائو، سی و همکاران. نانوکامپوزیت‌های لایه‌بندی شده توسط همترازی نانوصفحات ناشی از جریان برشی. Nature 580، 210-215 (2020).

یانگ، جی و همکاران ورقه های گرافن همسانگرد قوی با پل MXene القا شده از آب برای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی. Science 383, 771-777 (2024).

Patil, V. P., Sandt, J. D., Kolle, M. & Dunkel, J. مکانیک توپولوژیکی گره ها و پیچ ها Science 367، 71-75 (2020).

Jawed، M. K.، Dieleman، P.، Audoly، B. & Reis، P. M. گشودن مکانیک و توپولوژی در پاسخ اصطکاکی گره‌های الاستیک بلند بالا. فیزیک کشیش لت 115 , 118302 (2015).

ژو، تی و همکاران. ورقه های گرافن بسیار سخت با عملکرد MXene. نات. اشتراک. 11, 2077 (2020).

کیم، اس ام و همکاران سنتز نیترید بور شش ضلعی چند لایه با مساحت بزرگ برای عملکرد بالای مواد. نات. اشتراک. 6, 8662 (2015).

پودسیادلو، پی و همکاران. نانوکامپوزیت های پلیمری لایه ای بسیار قوی و سفت. Science 318, 80-83 (2007).

Bonderer, L. J., Studart, A. B. & Gauckler, L. J. طراحی و مونتاژ فیلم های پلیمری تقویت شده با پلاکت. Science 319، 1069-1073 (2008).

Tang, Z. Y., Kotov, N. A., Magonov, S. & Ozturk, B. Nanostructured Artificial Nacre. نات. ماتر 2، 413-418 (2003).

Kakisawa, H. & Sumitomo, T. مکانیسم سخت‌کنندگی مارچوبه و مواد ساختاری با الهام از nacre. علمی تکنولوژی Adv. ماتر 12, 064710 (2011).

Gao, H., Ji, B., Jäger, I. L., Arzt, E. & Fratzl, P. مواد به عیوب در مقیاس نانو حساس می شوند: درس هایی از طبیعت. Proc. Natl Acad. علمی USA 100, 5597–5600 (2003).

Ji, B. & Gao, H. اصول مکانیکی نانوکامپوزیت های بیولوژیکی. آنو. کشیش ماتر. Res. 40، 77-100 (2010).

Liu, Y., Xie, B., Zhang, Z., Zheng, Q. & Xu, Z. خواص مکانیکی کاغذهای گرافنی. جی. مکانیک. فیزیک جامدات 60، 591-605 (2012).

Wang, S., Lin, J., Xu, Z. & Xu, Z. درک مجموعه های ماکروسکوپی نانوساختارهای کربنی با پیچیدگی ریزساختاری. آهنگسازی. قسمت A 143 , 106318 (2021).

کامپوزیت های الهام گرفته از Nacre با ابعاد ماکروسکوپی مختلف: استراتژی هایی برای بهبود عملکرد مکانیکی و کاربردها. NPG Asia Mater. 10، 1–22 (2018).

Yang, M. & Kotov, N. A. بیومیمتیک کمی مواد با کارایی بالا. نات. کشیش ماتر. 10، 382-395 (2025).

Wan, S., Fang, S., Jiang, L., Cheng, Q. & Baughman, R. H. صفحات گرافن قوی، رسانا و تاشو با پل زدن پی در پی یونی و π. Adv. ماتر 30 , 1802733 (2018).

وانگ، ال و همکاران مواد قوی و سخت الهام گرفته از nacre با درهم تنیدگی بین لایه‌ای. نانو لت. 23، 3352-3361 (2023).

وان، اس و همکاران. فیلم های MXene فوق قوی مقیاس پذیر با استخوان زایی برتر. Nature 634، 1103-1110 (2024).

Hummers, W. S. & Offeman, R. E. آماده سازی اکسید گرافیتی. J. Am. شیمی. Soc. 80 , 1339 (1958).

Dreyer, D. R., Park, S., Bielawski, C. W. & Ruoff, R. S. شیمی اکسید گرافن. شیمی. Soc. Rev. 39, 228-240 (2010).

فراری، A. C. و همکاران. طیف رامان گرافن و لایه های گرافن. فیزیک کشیش لت 97، 187401 (2006).

Giudice، F. & Shen، A. رئولوژی برشی پراکندگی اکسید گرافن. Curr. نظر. شیمی. مهندس 16، 23-30 (2017).

Xiong، Z. و همکاران. لایه برداری با غلظت فوق العاده بالا و پراکندگی آبی گرافن چند لایه با اثر حجمی حذف شده. نات. اشتراک. 15, 10807 (2024).

Juan, J., Nó, M. & Schuh, C. آلیاژهای حافظه شکل در مقیاس نانو برای میرایی مکانیکی فوق العاده بالا. نات. فناوری نانو 4، 415-419 (2009).

Wang, R. Z., Suo, Z., Evans, A. G., Yao, N. & Aksay, I. A. مکانیسم های تغییر شکل در ناکر. جی. ماتر. Res. 16، 2485-2493 (2001).

جکسون، A. P.، وینسنت، J. F. V. و ترنر، R. M. طراحی مکانیکی nacre. Proc. R. Soc. لندن. B 234, 415-440 (1988).

Pan، X. F. و همکاران. نانوکاغذهای آرامید-میکا شبیه ناکر قابل بازیافت با خواص عایق مکانیکی و الکتریکی افزایش یافته است. Adv. کارکرد. ماتر 33, 2210901 (2023).

شن، ک. و همکاران. الیگومر درهم، پلاستیسیته را برای کاغذها و کامپوزیت های گرافن قوی و رسانا دو برابر می کند. کربن 208، 160-169 (2023).

ژو، تی و همکاران. فیلم های گرافن سیاه فسفر فوق العاده سخت. Proc. Natl Acad. علمی USA 117, 8727–8735 (2020).

Xiao، Y. و همکاران. رویکرد جمع شدن ورق برای کاغذهای گرافنی لاستیکی مانند. ACS Nano 11, 8092–8102 (2017).

ما از X. Zhang برای کمک در اندازه گیری AFM تشکر می کنیم. G. Zhu و Q. Lin برای کمک در اندازه گیری TEM. و Y. Qiu برای کمک به انجام SAXS و اندازه‌گیری‌های پراکندگی پرتو ایکس با زاویه باز.

This work was financially supported by the National Key Research and Development Program of China (2022YFA1205300 and 2022YFA1205301), the National Natural Science Foundation of China (52122301, 52090030, 52090031, 52090032, 52502120, 52272046, 12425201 و 52302049)، برنامه تحقیق و توسعه «پیشگام» و «غاز پیشرو» ژجیانگ (2023C01190 و 2026C02A1055)، وجوه تحقیقات بنیادی برای دانشگاه های مرکزی (226-2024-2024-2020-2024-2020-2024 و 2020-2024 سیستم کاربردی فضایی برنامه فضایی سرنشین دار چین (CMSS-2024-4-A-013) و برنامه تحقیقاتی اساسی کلید ملی چین از طریق کمک هزینه

(2022YFA1205400). محاسبات بر روی سیستم خوشه ای Explorer 1000 آزمایشگاه ملی علوم و فناوری اطلاعات Tsinghua انجام شد.

این نویسندگان به طور مساوی کمک کردند: لیدان وانگ، یانگچائو لیائو

آزمایشگاه کلیدی MOE سنتز و عامل‌سازی ماکرو مولکولی، مرکز تحقیقات بین‌المللی پلیمرهای X، آزمایشگاه کلیدی مواد آلی و فناوری‌های پیشرفته ژجیانگ، مرکز تحقیقات الیاف پیشرفته، گروه علوم و مهندسی پلیمر، دانشگاه ژجیانگ، هانگژو، چین

لیدان وانگ، چنوی شن، لو چن، مینگتائو ژانگ، کایون لی، پنگ لی، ینگجون لیو، ژن زو، کای پانگ و چائو گائو

آزمایشگاه مکانیک کاربردی، گروه مکانیک مهندسی و مرکز نانو و مکانیک میکرو، دانشگاه Tsinghua، پکن، چین

دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه علم و صنعت چانگشا، چانگشا، چین

آزمایشگاه کلید دولتی سیلیکون و مواد نیمه هادی پیشرفته و دانشکده علوم و مهندسی مواد، دانشگاه ژجیانگ، هانگژو، چین

موسسه فیزیک، آکادمی علوم چین، پکن، چین

L.W.، Zhen Xu، K.P.، Zhiping Xu و C.G. بر پروژه نظارت داشت. L.W. یافته های کلیدی اولیه را انجام داد. L.W.، K.P. و ژن ژو این ایده را برداشت و آزمایش ها را طراحی کرد. L.W.، K.P. و ژن زو آزمایش ها و خصوصیات را انجام دادند. C.S.، L.C.، L.P. و K.L. با خصوصیات AFM و TEM کمک می کند. D.D. و X.L. آزمایش‌های کششی TEM را در محل انجام داد. م.ز. به تجزیه و تحلیل آماده سازی نانوصفحه SFGO کمک کرد. P.L. و Y. Liu در شناسایی FIB کمک کردند. Y. Liao، J.H. و Zhiping Xu تجزیه و تحلیل نظری را انجام دادند. L.W.

پیش نویس اولیه نسخه خطی را نوشت و L.W.، Zhen Xu، K.P.، Zhiping Xu و C.G. آن را اصلاح کرد. همه نویسندگان نتایج را مورد بحث قرار دادند و نسخه نهایی مقاله را تایید کردند.

مکاتبه با ژن خو، کای پانگ، ژیپینگ ژو یا چائو گائو.

Nature از داور(های) ناشناس برای مشارکتشان در بررسی همتایان این اثر تشکر می کند. گزارش های بازبین همتا در دسترس است.

یادداشت ناشر Springer Nature با توجه به ادعاهای قضایی در نقشه های منتشر شده و وابستگی های سازمانی بی طرف باقی می ماند.

a، عکس پراکندگی GO (0.1 میلی گرم در میلی لیتر -1) و تصویر AFM آن، مشخصات ارتفاع، مورفولوژی سطح سه بعدی (از بالا). b، عکس‌های پراکندگی (0.1 میلی‌گرم در میلی‌لیتر -1) و تصاویر AFM، پروفایل‌های ارتفاع، مورفولوژی‌های سطح سه‌بعدی (از بالا) برای چهار نمونه SFGO سنتز شده در دمای کاهش‌یافته: SFGO-1 (-5 °C)، SFGO-2 (-10 °C)، SFGO-3 (-15 °C). فرآیندهای سنتز چهار نمونه SFGO جزئیات را در بخش تجربی تکمیلی می بینید. ج، ضخامت تکه های SFGO به عنوان تابعی از دمای واکنش. داده ها به صورت میانگین ± انحراف معیار (30 نمونه مستقل) ارائه می شوند.

d، عرض و طول چین برای چهار نمونه SFGO، از نظر آماری از تجزیه و تحلیل AFM محاسبه شده است (b). e، چگالی تاشو برای نمونه های SFGO و GO.

یک عکس در محل از آزمایش XRD برای نمونه های پراکندگی SFGO. b، الگوهای XRD پراکندگی گرافیت، GO و SFGOs (در 20 میلی‌گرم میلی‌لیتر -1). تصاویر c , d , AC-TEM از چین های سطحی ( c ) و الگوی moiré انباشته روی سطح مسطح (d ) پوسته SFGO-1. e، طیف رامان گرافیت، GO، SFGO-1، SFGO-2، SFGO-3 و SFGO-4. f، مقدار I D/I G و نسبت C/O به عنوان تابعی از دمای واکنش. داده های I D/I G به صورت میانگین ± انحراف معیار (n = 3 نمونه مستقل) ارائه شده است.

الف، فرآیند شماتیک برای آماده سازی نمونه و آزمایش رامان برای پوسته SFGO-4. b، c، طیف‌های رامان معمولی که روی سطح (b) و هسته (c) جمع‌آوری می‌شوند. d، توزیع I D/I G بر روی سطح و هسته توسط 10 نمونه به طور تصادفی انتخاب شده است. داده ها به صورت میانگین ± انحراف معیار (10 نمونه مستقل) ارائه شده است.

یک فیلم RG دارای برخی چروک‌ها بر روی ورق‌ها است. b، فیلم SFRG-1 ساختار معمولی FCL را نشان می دهد. ج، فیلم SFRG-4 حاوی حفره‌ها و شکاف‌های بزرگی است که ناشی از انباشته شدن غیریکنواخت تکه‌های ذاتا ضخیم است.

a , عکس فیلم پوشش تیغه SFGO. نوار ترازو، 10 سانتی متر. الگوهای b، c، XRD فیلم SFGO-1 و GO قبل از (b) و پس از کاهش (c). d، فاصله بین لایه ها و اندازه دانه SFRG-1 و فیلم RG از طیف XRD محاسبه شده است. e، طیف رامان فیلم SFGO-1، SFRG-1، GO و RG. f، الگوهای WAXS و پروفیل‌های اسکن آزیموتال (002 قله) فیلم SFRG-1 و RG. الگوهای WAXS در امتداد جهت موازی با پرتو اشعه ایکس Cu-Kα ثبت شد. g، تجزیه و تحلیل XPS فیلم SFGO-1 و SFRG-1. h، i، طیف C1s فیلم SFGO-1 (h) و SFRG-1 (i).

اوج گسترده C1s فیلم‌های SFGO با سه قله در 284.3، 286.3 و 288.0 eV، مربوط به C (sp 2) -C (sp 2)، C-O، و C-O-C، برازش داده شد. نسبت C(sp2)-C(sp2) (57.9٪) برای فیلم های SFGO به 87.8٪ برای فیلم SFRG افزایش یافت، که نشان دهنده حذف قابل توجه گروه های حاوی اکسیژن از تکه های SFGO با کاهش شیمیایی است.

یک دستگاه تست WAXS در محل. b، الگوهای WAXS برای قله 002 فیلم SFRG-1 در طول بارگیری (بالا) و تخلیه (پایین). c , d , پروفایل های اسکن آزیموتال برای پیک 002 در حین بارگیری (c) و تخلیه (d). e، درجه جهت گیری فیلم های SFRG-1 به عنوان تابعی از ازدیاد طول در طول فرآیند بارگیری و تخلیه.

a، سه حالت معمولی سیستم در طول فرآیند کششی: حالت اولیه، حالت حداکثر تنش، و حالت شکست قفل بین لایه‌ای. در اینجا، W عرض یک چین منفرد را نشان می دهد، L 0 = 360 نانومتر نشان دهنده طول اولیه مورد استفاده برای محاسبه کرنش مهندسی ε = (L – L 0) / L 0 است، و L نشان دهنده فاصله بین نقاط بارگذاری است. b، پیکربندی، توزیع تنش، و توزیع کرنش ناحیه سر به سر که با کادر آبی رنگ در پانل a در طول فرآیند کشش نشان داده شده است.

c، پیکربندی، توزیع تنش، و توزیع کرنش ناحیه سر تا دم که با کادر قرمز رنگ در پانل a در طول فرآیند کششی نشان داده شده است.

منحنی‌های کششی به‌دست‌آمده از آزمایش‌ها، و به ترتیب بر روی مدل‌های «کشش به فشار» و «تاخر برشی» تحت پارامترهای یکسان قرار گرفتند.

اختصارات، روش های تکمیلی، شکل های تکمیلی. 1-53، جداول تکمیلی 1-4 و منابع تکمیلی. این اطلاعات اصطلاحات، جزئیات روش‌شناختی، تحلیل‌های پشتیبان و نتایج بیشتر را ارائه می‌کند که مکمل یافته‌های ارائه‌شده در مقاله اصلی است.

شبیه سازی دینامیک مولکولی دانه درشت یک ورق GO تا شده تک لایه با عرض تاشو 50 نانومتر تحت بارگذاری کششی از راه دور.

Springer Nature یا مجوز دهنده آن (به عنوان مثال یک انجمن یا شریک دیگر) حقوق انحصاری این مقاله را تحت توافقنامه انتشار با نویسنده(ها) یا سایر دارندگان حقوق دارند. آرشیو خود نویسنده نسخه خطی پذیرفته شده این مقاله صرفا تحت شرایط چنین توافق نامه انتشار و قوانین قابل اجرا است.

Wang, L., Liao, Y., Huang, J. et al. چین‌های گیره‌ای استحکام الاستیک بالاتری را برای لایه‌های گرافن ایجاد می‌کنند. Nature 658, 643-649 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11109-y

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-11109-y

هر کسی که پیوند زیر را با او به اشتراک بگذارید، می‌تواند این محتوا را بخواند:

با عرض پوزش، پیوند قابل اشتراک گذاری در حال حاضر برای این مقاله موجود نیست.

ارائه شده توسط Springer Nature SharedIt ابتکار اشتراک محتوا