От хрупкости к гибкости: сверхпрочная графеновая пленка для электроники

Ученые из Шанхайского университета Цзяо Тун создали эластичную и прочную пленку из графена, которая может найти применение в гибкой электронике и авиации. Графен, состоящий из слоев углеродных атомов, расположенных в виде сот, признан суперматериалом благодаря исключительной проводимости и механическим свойствам. Эти качества открывают перспективы для создания гибкой электроники, инновационных аккумуляторов и композитных материалов для аэрокосмической промышленности. Однако создание эластичных и прочных пленок из графена долгое время оставалось сложной задачей.

Недавно исследователи предложили решение этой проблемы, о котором сообщили в журнале Angewandte Chemie . Они разработали метод соединения графеновых нанослоев с помощью растяжимых структур, что позволило преодолеть прежние ограничения. Основная проблема заключалась в том, что уникальные свойства микроскопических графеновых нанослоев снижались при сборке их в фольгу из-за слабых взаимодействий между слоями, преимущественно водородных связей. Ранее предпринимались попытки улучшить механические свойства графеновых фольг путем усиления взаимодействий, но достигнутые результаты были лишь частично успешными. Особенно остро стояла проблема недостаточной растяжимости и прочности материалов.

Команда под руководством Сюйчжоу Яна предложила новый подход: они соединили графеновые нанослои с помощью молекулярных структур, механически переплетенных между собой. Для этого использовали ротаксаны — молекулы, состоящие из «колеса» (кольцевой молекулы), нанизанного на «ось» (молекулярную цепь). Для предотвращения расхождения этих структур, концы осей снабдили громоздкими группами. Ось была построена с использованием аммониевой группы, удерживающей колесо в определенном положении. «Якорь» (гидроксильная группа) был присоединен как к оси, так и к колесу через линкер. Графен окислили, чтобы образовать графеновый оксид с различными кислородсодержащими группами, включая карбоксильные, которые связывались с гидроксильными группами (эстерификация). В результате колесо и ось могли скреплять слои графена, после чего графеновый оксид восстанавливали обратно до графена.

Новые пленки из графена и ротаксанов продемонстрировали выдающиеся свойства. Их можно было растягивать до 20 % или многократно сгибать без повреждений, при этом сохраняя высокую электропроводность. Разрыв происходил только при растяжении более чем на 23 %. Эти пленки оказались значительно прочнее фольги без ротаксанов (247,3 против 74,8 МПа), а также более эластичными (23,6 против 10,2 %) и прочными (23,9 против 4,0 МДж/м³).

Исследователи также создали простое «захватное устройство» с механическими сочленениями, выполненными из новой графеновой фольги, что демонстрирует практическое применение разработанного материала. Ожидается, что новые пленки найдут широкое применение в гибкой электронике, инновационных аккумуляторах и композитных материалах для авиации и космических технологий. Эти достижения открывают новые горизонты для использования графена в различных отраслях промышленности, предлагая решения для создания прочных, эластичных и высокопроводящих материалов.