Vill du göra ett superstarkt material av nanoskala byggstenar? Börja med byggstenar av högsta kvalitet, höger?

Fel - åtminstone när man arbetar med "flingor" av grafenoxid (GO).

En ny studie från Northwestern University forskare visar att bättre GO "papper" kan göras genom att blanda starka, fasta GO -flingor med svaga, porösa GO -flingor. Fyndet kommer att underlätta produktionen av GO -material av högre kvalitet, och det belyser ett allmänt problem inom materialteknik:hur man bygger ett nanoskala material till ett makroskopiskt material utan att förlora sina önskvärda egenskaper.

"För att uttrycka det mänskligt, samarbete är mycket viktigt, "sa Jiaxing Huang, Northwestern Engineering professor i materialvetenskap och teknik, som ledde studien. "Utmärkta spelare kan fortfarande göra ett dåligt lag om de inte fungerar bra tillsammans. Här, vi lägger till några till synes svagare spelare och de stärker hela laget. "

Forskningen var ett fyrvägssamarbete. Förutom Huangs, tre andra grupper deltog, ledd av Horacio Espinosa, professor i maskinteknik vid McCormick School of Engineering; SonBinh Nguyen, professor i kemi vid Northwestern; och Tae Hee Han, en tidigare postdoc -forskare vid universitetet som nu är professor i organisk och nanoteknik vid Hanyang University, Sydkorea.

Studien publicerades idag i Naturkommunikation .

Högteknologiskt papper

GO är ett derivat av grafit som kan användas för att göra den tvådimensionella, supermaterial grafen. Eftersom GO är lättare att göra, forskare studerar det som ett modellmaterial. Det kommer vanligtvis som en spridning av små flingor i vatten. Från ena änden till den andra, varje fling är mindre än bredden på ett människohår och bara en nanometer tjock.

När en lösning av GO -flingor hälls på ett filter och vattnet avlägsnas, ett tunt "papper" bildas, vanligtvis några tum i diameter med en tjocklek mindre än eller lika med 40 mikrometer. Intermolekylära krafter håller ihop flingorna, inget mer.

Styrka från svaghet

Forskare kan göra stark GO i enstaka lager men att lägga flingorna i en pappersform fungerar inte så bra. När du testar effekten av hål på styrkan hos GO -flingor, Huang och hans medarbetare upptäckte en lösning.

Med en blandning av ammoniak och väteperoxid, forskarna kemiskt "etsade" hål i GO -flingorna. Flingor som lämnades i blöt i en till tre timmar var drastiskt svagare än oätade flingor. Efter fem timmars blötläggning, flingor blev så svaga att de inte kunde mätas.

Sedan, laget fann något överraskande:Papper tillverkat av de försvagade flingorna var starkare än väntat. På enkelskiktsnivån, en timmes etsade porösa flingor, till exempel, var 70 procent svagare än fasta flingor, men papper tillverkat av dessa flingor var bara 10 procent svagare än papper från fasta flingor.

Saker blev ännu mer intressant när laget blandade fasta och porösa flingor tillsammans, Sa Huang. Istället för att försvaga papperet som enbart är tillverkat av fasta flingor, tillsatsen av 10 eller 25 procent av de svagaste flingorna förstärkte den med cirka 95 och 70 procent, respektive.

Effektiv anslutning

Om GO -ark kan liknas vid aluminiumfolie, Huang sa, att göra ett GO -papper är precis som att stapla folien för att göra en tjock aluminiumplatta. Om du börjar med stora ark aluminiumfolie, chansen är stor att många kommer att rynka, hindrar tät packning mellan ark. Å andra sidan, mindre ark rynker inte lika lätt. De packar ihop bra men skapar snäva stackar som inte integreras bra med andra tighta stackar, skapa tomrum inom GO -papper där det lätt kan gå sönder.

"Svaga flingor vrider sig för att fylla i dessa tomrum, vilket förbättrar fördelningen av krafter i hela materialet, "Sade Huang." Det är en påminnelse om att styrkan hos enskilda enheter bara är en del av ekvationen; effektiv anslutning och spänningsfördelning är lika viktigt. "

Detta resultat kommer att vara direkt tillämpligt på andra tvådimensionella material, som grafen, Huang sa, och kommer också att leda till utformningen av GO -produkter av högre kvalitet. Han hoppas att testa det på GO -fibrer nästa.