莱斯大学深度揭示了“钢筋石墨烯”的机理，为2D材料的表征开辟新方向

图为一幅莱斯大学材料科学家测试后的钢筋石墨烯样品电子显微图片。它显示了裂纹如何以锯齿形的方式传播，而不是直线传播，就像在普通石墨烯中看到的那样。钢筋石墨烯被分子力附着在一个平台上，慢慢地将材料拉开。图片来源：Emily Hacopian/莱斯大学

莱斯大学的研究人员发现，抗断裂的“钢筋石墨烯”的硬度是原始石墨烯的两倍还多。

石墨烯是一个原子厚的碳层。在二维尺度上，这种材料强度比钢更强，但是因为石墨烯很薄，所以仍然会被扯破和撕裂。

钢筋石墨烯是混凝土中钢筋（钢筋）的纳米级模拟，其中嵌入钢筋提高了材料的强度和耐久性。2014年，莱斯实验室化学家James Tour开发的钢筋石墨烯使用碳纳米管来加固。

在美国化学学会杂志ACS纳米，水稻材料科学家Jun Lou，研究生及主要作者Emily Hacopian和协作者，包括Tour在内的一项新研究发现，通过应力测试钢筋石墨烯发现纳米管钢筋转向和桥接裂纹，不然裂纹会在未增强的石墨烯中扩展。

实验表明，纳米管会帮助石墨烯保持弹性，并减少裂纹的影响。Lou说，这不仅对柔性电子器件有用，而且对电活性耐磨材料或其他具有应力耐受性、柔韧性、透明性和机械稳定性的器件都是有用的。

实验室的机械测试和分子动力学模拟的合作者在布朗大学揭示了该材料的韧性。

Lou说，石墨烯优良的导电性使其成为设备的强有力候选物，但其脆性性质是不利因素。他的实验室两年前就报告说石墨烯和它最薄弱的环节一样强大。这些测试表明，原始石墨烯的强度比报告的内在强度“大大降低”。在后来的研究中，实验室发现了研究人员感兴趣的另一种二维材料——二硒化钼，也是易碎的。

Tour 接洽了Lou和他的小组，对钢筋石墨烯进行了类似的测试，通过将单壁纳米管旋涂到铜衬底上，并通过化学气相沉积在它们上面生长石墨烯。

为了对钢筋石墨烯进行应力测试，Hacopian, Yang和他的同事必须把它拉成碎片并测量施加的力。通过反复试验，实验室开发了一种切割材料的显微切片，并将其安装在试验台上，用于扫描电子显微镜和透射电子显微镜。

“我们不能使用胶水，所以我们必须了解材料和我们的测试设备之间的分子间作用力。”Hacopian说：“这种材料很脆弱，真的很难研究。”

钢筋未能阻止石墨烯的最终失效，但是纳米管通过迫使裂纹在传播过程中呈弧形和锯齿状减缓了这一过程。当力太弱不能完全破坏石墨烯时，纳米管有效地桥接裂纹，在某些情况下保留了材料的导电性。

在之前的测试中，Lou的实验室显示石墨烯具有4兆帕的天然断裂韧性。相反，钢筋石墨烯的平均韧性为10.7兆帕，他说。

研究的共同作者Huajian Gao和他的团队在布朗证实了物理实验的结果。Gao的团队在石墨烯有序排列的钢筋模拟中发现了相同效果，就像那些用钢筋测量的实物样品一样。

“模拟是很重要的，因为他让我们看到一个时间尺度上的过程，这是我们不能用显微镜技术得到的，它只给我们快照。”Lou说：“布朗团队确实帮助我们了解了数字背后发生了什么。”

他说，钢筋石墨烯的成绩是迈向许多新材料表征的第一步。“我们希望这为人们可以追求应用2D材料特征开辟方向。”Lou说

Maine大学的Hacopian, Yingchao Yang以及布朗大学的Bo Ni是该论文的共同作者。合著者分别是Yilun Li，莱斯大学的Hua Guo，郑州大学的Xing Li和北京大学的Qing Chen。Lou是莱斯大学水稻材料科学和纳米工程教授。Tour是莱斯大学计算机科学与材料科学与纳米工程的教授。Gao是布朗大学Walter H. Annenberg工程教授。

这项研究得到了Welch基金会、空军科研部多学科大学研究所、基础能源科学能源部、国家自然科学基金会和国家科学基金会的支持。

原文来自：Science Daily，原文题目：Nanotube 'rebar' makes graphene twice as tough——Scientists test material that shows promise for flexible electronics，由材料科技在线团队翻译整理。