坚固的超轻材料有助于储能碳捕获

2D材料从其原子薄的片状结构中获得强度。但是，堆叠多层 2D 材料会削弱使其如此有用的品质。

莱斯大学材料科学家Jun Lou和马里兰大学的合作者表明，微调一类称为共价有机框架(COF)的2D聚合物中的层间相互作用可以确定材料以多层或块状形式失去或保留所需的机械性能。根据发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究，在此过程中，研究人员设计了一种具有高刚度和强度的轻质材料，即使作为多层堆叠也能保持其2D特性。

这一发现是实现2D聚合物在大规模多功能应用中使用的第一步，在这些应用中，机械性能很重要，可以为新的高性能过滤系统，碳捕获和储能技术打开大门。

“这对我们来说是一个非常令人兴奋的起点，”Lou说。“COF和其他2D聚合物的一个非常好的方面是，你有很多化学旋钮可以调谐。这意味着您可以合理地设计层间相互作用。从本质上讲，你可以使用层间交互设计来制作非常强大的模块化系统。

研究人员研究了当多层堆叠在一起时，两个具有非常相似结构的COF的行为，发现它们结构的微小差异导致完全不同的层间相互作用模式。

“为了成功设计具有理想层间相互作用的COF，你需要对COF的材料结构有科学的洞察力，”马里兰州机械工程教授Teng Li说。“为此，我们依靠在分子尺度上对COF材料进行第一性原理模拟，以提供关键的设计指南。

莱斯大学的校友、该研究的共同主要作者方七一说，莱斯实验室根据马里兰州同事开发的模拟的科学见解设计了两种类型的COF。

“与大多数2D材料一样，其中一种COF没有非常强烈的层间相互作用，并且材料的强度和弹性随着层数的增加而降低，”Fang说。“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机械性能。

马里兰州研究员和共同主要作者Zhenqian Pang表示，模拟有助于确定为什么两个COF的行为不同。

“我们发现，后一个COF中的强层间相互作用是由于其特殊官能团之间的氢键显着增强，”Pang说。

事实上，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，这为研究人员提供了有关如何制造保留其2D对应物机械性能的块状材料所需的线索。

“我们相信这种强烈的层间相互作用主要是由于氢键的化学性质，”Lou说。“氢键是通用的，存在于许多系统中。在我们的研究中，我们发现层之间的氢键不仅非常强，而且是动态的，如果它们在压力下断裂，它们会随着层相互滑动而重组。

促进2D材料层之间的更强键可以削弱连接层内原子的键。

“在其他2D材料中，层间相互作用调整是可能的，但通常发生的事情是，为了连接这些官能团，你将牺牲这些2D材料的强大面内键合环境，”Lou说。“所以这实际上是一种权衡。使用2D聚合物，您不必进行这种权衡。这是我们在研究中采取这个方向的非常重要的动机之一。

2D聚合物由相同的原子基团组成，其每个边缘都有连接元素(官能团)。

“2D聚合物是一种设计师系统，从某种意义上说，它非常可调，”Lou说。

在之前对2D材料的研究中，Lou和合作者已经表明，六方氮化硼(h-BN)的抗断裂性是石墨烯的10倍。

“就像石墨烯或h-BN一样，你仍然有这种六边形晶格结构 - 六个六边形图案的原子，你无限期地重复，”Lou说。“但是对于2D聚合物，你还有一个接头或节点单元，这使得六边形更大。

较大的重复元素意味着材料的密度较低。

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

“这很重要，因为如果我们能够证明这种2D材料与h-BN一样抗断裂，它也明显更轻，”Lou补充道。“当您想要更大的强度而不增加结构的重量时，这可能很有用。

“这一发现与一些更受应用驱动的想法有关，”他说。“例如，COF可以制造出出色的过滤膜。现在我们有一种方法可以设计出非常坚固、非常抗断裂的多层2D聚合物，这可能是膜过滤应用的良好候选者。

Lou说，另一个潜在的应用是升级储能。

“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轨道上，”他说。“对于所有这些应用，2D聚合物的机械性能 - 特别是在抗断裂性方面 - 非常重要。

根据Li的说法，该研究的关键见解是“调整次级分子间键是一种有效的材料设计策略，可以开发一系列具有增强性能的新材料。

“这与主要依赖于初级粘合的传统材料设计方法不同，”他说。“使用这种新策略设计材料的机会非常丰富。