事实证明，2D材料的强度很难利用，尽管它是世界上最强的材料之一。
研究人员发现的共价有机框架材料样本保留了其作为多层堆栈的二维机械性能。图片来源：Gustavo Raskosky/莱斯大学
由于其非凡的机械特性，比最好的洋葱皮纸更薄的2D材料引起了人们的广泛关注。然而，当材料堆叠在多层中时，这些特性就会消失，这限制了它们的适用性。
想想石墨铅笔。它的核心是由石墨制成的，而石墨是由多层石墨烯组成的，石墨烯已被发现是世界上最坚硬的材料。然而石墨铅笔一点也不结实——事实上，石墨甚至被用作润滑剂。
Teng Li，马里兰大学机械工程系Keystone教授
通过精心调整称为共价有机框架（COF）的2D聚合物的分子结构，莱斯大学和休斯顿大学的Li及其同事发现了一种克服这一障碍的方法。最近发表在《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）上的一项研究详细介绍了这一结果。
这是一个非常令人兴奋的起点。
Jun Luo，马里兰大学材料科学和纳米工程教授
研究人员在使用分子水平模拟研究了各种官能团（即分子元素的排列）后创建了两个具有轻微结构变化的COF。然后研究了层中COF的行为。结果发现，微小的结构变化产生了明显不同的结果。
与大多数2D材料一样，最初的COF仅显示层之间的微弱相互作用，并且随着更多层的添加，强度和柔韧性都会降低。
第二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。
Qiyi Fang，赖斯大学研究联合首席作者和博士生
研究人员得出结论，氢键很可能是造成这种现象的原因。
研究共同主要作者，UMD博士后研究员，Li研究小组成员Zhengqian Pang补充说：“我们从模拟中发现，第二类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。
然后，研究小组利用他们的结果创造了一种轻质材料，这种材料不仅具有比钢更大的强度，而且即使堆叠成多层也能保持其2D特性。
有很多潜在的应用。
Lou补充说：“例如，COF可以制造出出色的过滤膜。对于过滤系统，孔隙处的官能团结构非常重要。比如说，脏水穿过COF膜，孔中的官能团将只捕获杂质并允许所需的分子通过。
“在这个过程中，膜的机械完整性将非常重要。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，“他说。
他进一步指出，“另一个潜在的应用是升级电池：用硅阳极代替石墨阳极将大大增加当前锂离子电池技术的存储容量。
Li说，这项研究的见解可以进一步增强各种材料的构建，如金属和陶瓷。例如，在非常高的温度下在陶瓷中产生的离子键使得修复破碎的咖啡杯变得困难。
同样，在高温下塑造金属也是必要的。理论上，类似的产品可以在不增加热量的情况下生产和修复，这要归功于研究人员正在研究的分子调整。
Li总结道：“虽然直接的背景是2D材料，但更一般地说，我们正在开拓利用材料的优势特性的方法，而不受这些材料的限制。
该研究由韦尔奇基金会（C-1716）、马里兰州高级研究计算中心和陆军研究实验室合作协议（W911NF-18-2-0062）资助。
来源：https://umd.edu/
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