2D полимерите: Бъдещето на материалите, устойчиви на счупвания

Изследователи от Университета Райс и Университета на Мериленд са създали ковалентни органични рамки (COF) – ново семейство 2D полимерни материали, които запазват желаните си механични характеристики дори в многослойни или насипни форми, се посочва в съобщение. Благодарение на откритието на екипа, че междуслойните взаимодействия в COF могат да бъдат прецизно настройвани, за да се определи дали материалът губи или запазва желаните механични свойства в многослойна или насипна форма, могат да бъдат разработени нови високопроизводителни филтриращи структури, технологии за улавяне на въглерод и съхранение на енергия. Тези COF са подходящи за използване в многофункционални приложения, където механичните качества са от решаващо значение, тъй като запазват здравината си при наслояване, за разлика от други 2D материали.

Пробив

Това постижение стана възможно благодарение на това, че изследователите използваха научното разбиране, получено от симулациите, създадени от техни колеги от Мериленд при създаването на два различни вида COF. Механичните характеристики на единия COF не се влияят от добавянето на повече слоеве поради твърдото му междуслойно взаимодействие, докато свойствата на другия COF, подобно на тези на повечето 2D материали, се влошават с добавянето на повече слоеве. Симулациите също така помогнаха на групата да разбере каква е причината за различното поведение на двата вида COF.

Изследователите установиха, че добрите механични характеристики в многослойната или обемната форма на материала се запазват поради силните контакти между слоевете на 2D-материала. Те също така обясняват химията на водородната връзка като основна причина за силното междуслойно взаимодействие. Ако тези междуслойни връзки се прекъснат под въздействие на стрес, те веднага се възстановяват, тъй като слоевете се плъзгат обратно един върху друг.

COF имат особена якост и специфична твърдост, които са сред най-високите известни, и са приблизително десет пъти по-малко плътни от графена или хексагоналния борен нитрид. Поради съотношението между здравина и тегло и ниската си цена COF намират широко приложение във филтриращи мембрани и други подобни устройства.

Учените са оптимистично настроени, тъй като 2D полимерите като COF имат няколко химически „копчета“, които могат да бъдат регулирани от тях. Дизайнът на междуслойното взаимодействие позволява логичното проектиране на нови материали във високоустойчиви модулни системи. Тъй като в миналото учените са постигнали значителен напредък с използването на 3D полимери, използването на 2D полимери в широкомащабни многофункционални приложения, където механичните характеристики са от решаващо значение, е значително постижение за екипа.