Ett internationellt team av forskare, anslutna till UNIST har upptäckt att vikning är en effektiv strategi för att införliva enskiktsgrafenfilmer med stor yta på polymerkompositer och att det förbättrar den mekaniska förstärkningen. Deras arbete har publicerats i den prestigefyllda tidskriften, Avancerar material .

Ett papper som är vikt över många gånger kan bära mer vikt än ett platt papper av samma längd. Liknande, vikning kan också förbättra de mekaniska egenskaperna hos grafen.

Ett internationellt team av forskare, anslutna till UNIST har upptäckt att vikning är en effektiv strategi för att införliva enskiktsgrafenfilmer med stor yta på polymerkompositer och att det förbättrar den mekaniska förstärkningen.

Detta genombrott har letts av den framstående professor Rodney S. Ruoff och hans forskargrupp från Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), inom Institutet för grundvetenskap (IBS) vid UNIST. Professor Nicola Pugno från University of Trento i Italien, och professor Seunghwa Ryu och Dr. Stefano Signetti från KAIST, tillhandahållit teori och modellering som kompletterade experimentresultaten från professor Ruoffs grupp.

Forskargruppen rapporterade att de hade lyckats vika en A5-storlek, 400 nanometer tjock polykarbonatfilm på hälften 12 gånger. Deras resultat visade att detta nya tillvägagångssätt med vikning ger betydande extra styvhet, förstärkning, och härdning av det slutliga kompositstycket som innehåller den vikta grafenen.

"Det här arbetet har sitt ursprung i mitt intresse för att vika. När Britney Gallivan var gymnasieelev i Kalifornien 2002, hon visade att ett enda papper, ca 1, 200 meter lång, kunde vikas på hälften tolv gånger, " säger ärade professor Ruoff. "Innan hon lyckades med det, man har traditionellt trott att det maximala antalet gånger som papper eller annat material kan vikas på mitten var 7 - inklusive av dagens bästa matematiker."

"Professor Ruoff och jag bestämde oss för att försöka vika grafen, med ett tunt polymerskikt fäst vid det, så att vi också kunde försöka uppnå 12 veck men från ett mycket mindre utgångsmaterial, " säger Dr Bin Wang, en IBS Research Fellow och den första författaren till studien.

Med hjälp av ett vatten-luft-gränssnitt, Dr Wang vek först en A5-storlek, 400 nanometer tjock polykarbonatfilm på hälften 12 gånger, ger ett millimetertjockt bulkmaterial – en intressant prestation för sig själv. Han "fyllde" sedan enskiktsgrafenfilm med stor yta i det vikta laminatet genom att börja med en 400 nanometer tjock polykarbonatfilm i A5-storlek men nu belagd med ett enda lager av A5-grafen som hade odlats genom kemisk ångavsättning av professor Haofei Shi och kollegor från Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology i Kina.

"När man drar på, grafen är bland de styvare materialen och om det kan göras fritt från defekter kommer det att vara ett av de starkaste materialen. Därför, att optimera dess inkorporering i kompositer för förstärkning är en viktig vetenskaplig utmaning, " säger ärade professor Ruoff. "Dr. Wang vek också detta dubbelskiktsark i A5-storlek av polykarbonat och grafen 12 gånger, vilket betyder att det fanns 2^12, alltså 4096 lager av grafen närvarande i den slutliga kompositstrukturen, som hade laterala dimensioner på cirka 3 mm x 2 mm med en tjocklek på ~3 mm."

Prover med större längd x bredd (som också skulle vara tunnare) av det slutliga vikta provet behövdes för mekanisk testning. Wang gjorde alltså en serie prover med vardera 10 veck (snarare än 12), och använde ett "trepunktsböjningstest" för att studera deras mekaniska respons. Med en anmärkningsvärt låg volymandel grafen på endast 0,085 % (mindre än 1 del på 1000), Youngs modul (inre styvhet), styrka (påfrestning som materialet går sönder vid), och seghetsmodulen (energi som förbrukades för att bryta provet) förbättrades i den vikta kompositen med i genomsnitt 73,5 %, 73,2 %, och 59,1 %, respektive. Enbart från grafenvecken ökades Youngs modul med 24,2 %, styrka med 25,4 %, och seghetsmodul med 14,5%. Observera att dessa värden är lägre gränser, från lagets modellering. Således hittades en anmärkningsvärd mekanisk förstärkning från den kombinerade vikningen och staplingen av grafen.

Dessa experimentella resultat har också rationaliserats med teori i kombination med modellering som tillhandahålls av professor Pugnos grupp från University of Trento i Italien. "Vecket spelar en speciell roll för att förstyva och stärka kompositen, " säger professor Pugno. "Den vikta strukturen kan upprätthålla en större böjkraft jämfört med analogen av staplade men frånkopplade lager, vilket kan förklaras av den förbättrade interaktionen mellan lager och lager som genereras från de ytterligare begränsningarna av vecken."

Professor Ryu och Dr. Stefano Signetti från KAIST som gav teorin använde finita elementmodellering (FEM) för att simulera böjningen av de vikta laminaten och upptäckte att den vikta konfigurationen ger mycket högre böjstyvhet i förhållande till den staplade konfigurationen med motsvarande 1024 lager av inbäddad grafen. "Den ytterligare begränsningen som vecken ger resulterar i både högre specifik deformationsenergi lagrad i kompositplattan, och även högre böjkraft vid samma pålagda förskjutning jämfört med plattan med samma antal staplade lager men utan vecken, säger Dr Signetti, en postdoktor från KAIST.

"Modellerna som presenteras i detta arbete kan vara till hjälp för design av andra typer av tvådimensionella material inbäddade i flerskiktiga tredimensionella kompositer, som kan realiseras i stor storlek, ", säger ärade professor Ruoff. "Förutom den mekaniska förstärkningen, det finns andra potentiella tillämpningar för de vikta laminaten."

Dr Wang noterade vidare att "Genom att kombinera olika tvådimensionella nanomaterial som bidrar med speciell funktionalitet, vikning kan användas för att erhålla material i makroskala för många andra potentiella applikationer, inklusive men inte begränsat till energilagring och omvandling, och värmehantering."