現(xiàn)在，美國(guó)的科學(xué)家們找到了突破這一障礙的方法。他們通過(guò)微調(diào)二維聚合物——共價(jià)有機(jī)框架（COFs）的分子結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造出一種輕盈而強(qiáng)韌的新型材料，即使疊加多層，也能保持其二維特性。

 

　　“這是一個(gè)非常令人興奮的起點(diǎn)。”來(lái)自萊斯大學(xué)材料科學(xué)與納米工程系的教授Jun Lou說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了萊斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)。

 

　　研究人員利用分子水平的模擬，研究了不同的官能團(tuán)——即分子元素的排列方式，并設(shè)計(jì)了兩種結(jié)構(gòu)略有差異的COFs。然后，他們研究了這些COFs在疊加成多層時(shí)的行為。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，微小的結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了截然不同的結(jié)果。

 

　　第一種COF，像大多數(shù)二維材料一樣，只顯示出很弱的層間相互作用，隨著層數(shù)增加，其強(qiáng)度和彈性都消失了。而第二種COF卻不同，“它表現(xiàn)出強(qiáng)烈的層間相互作用，并且即使增加多層，也保持了良好的力學(xué)性能。”該論文的共同第一作者、萊斯大學(xué)博士生Qiyi Fang說(shuō)。

 

　　據(jù)研究人員推測(cè)，這種現(xiàn)象很可能是由于氫鍵作用。“我們從模擬中發(fā)現(xiàn)，在第二種COF中，由于其特殊官能團(tuán)之間顯著增強(qiáng)了氫鍵作用，導(dǎo)致了強(qiáng)大的層間相互作用。”該論文的另一位共同第一作者、馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系博士后研究員Zhengqian Pang說(shuō)。

 

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)制造出了一種輕盈而強(qiáng)韌的新型材料，它不僅比鋼鐵堅(jiān)固幾倍，而且即使疊加多層，也能保持其二維特性。這種材料有許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

　　“COFs可以制成優(yōu)秀的過(guò)濾膜。”萊斯大學(xué)的Lou說(shuō)，“對(duì)于一個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在孔隙處的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)非常重要。當(dāng)你有污水通過(guò)COF膜時(shí)，孔隙處的官能團(tuán)會(huì)捕獲雜質(zhì)，只讓所需的分子通過(guò)。在這個(gè)過(guò)程中，膜的力學(xué)完整性非常重要。現(xiàn)在我們有了一種方法，可以設(shè)計(jì)非常強(qiáng)韌、抗斷裂的多層二維聚合物，它們可以是非常好的過(guò)濾膜候選材料。”

 

　　“另一個(gè)潛在的應(yīng)用是提升電池性能：用硅代替石墨作為陽(yáng)極，可以大大增加當(dāng)前鋰離子電池技術(shù)的儲(chǔ)能容量。”他說(shuō)。

 

　　這項(xiàng)研究還可能促進(jìn)一系列材料的設(shè)計(jì)，包括陶瓷和金屬。例如，陶瓷依賴于在非常高的溫度下形成的離子鍵，這就是為什么一個(gè)破碎的咖啡杯不能輕易修復(fù)。同樣，金屬也需要在高溫下鍛造。而通過(guò)研究人員探索的分子微調(diào)方法，類似的產(chǎn)品或許可以在不加熱的情況下制造和修復(fù)。

 

　　這項(xiàng)研究發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上，IT之家附地址。