氧化石墨烯：開發出超硬耐磨自修復石墨烯涂層

氧化石墨烯：開發出超硬耐磨自修復石墨烯涂層

日前，美國化學學會發表了來自哈工大關于超硬耐磨并可自修復涂層的研究成果。研究人員將氧化石墨烯和柔軟自愈的聚合物結合，開發出了一種特別的新材料。


1月31日，《ACS Nano》在線發表了哈爾濱工業大學研究人員將氧化石墨烯和柔軟自愈的聚合物結合，開發出超硬耐磨自愈性石墨烯復合材料的最新研究成果。該論文題為“An Epidermis-like Hierarchical Smart Coating with a Hardness of Tooth Enamel”。


研究小組設計了一種讓人聯想到人類表皮自我修復功能的涂層，但它卻具有牙釉質般的強度，可用于建筑涂料和生物醫學設備涂層領域。該研究將氧化石墨烯和柔軟自愈的聚合物相結合。


該研究通過將表皮狀分層結構與氧化石墨烯的機械性能和阻隔性能相結合，克服了實現具有自愈能力的硬質材料的基本困境，并表明這種仿生設計使得具有協同修復效果的智能分層涂層系統的剛度（31.4±1.8 GPa）/硬度（2.27±0.09 GPa）均達到創紀錄水平，甚至可與牙釉質相媲美。


由石墨烯氧化物構成的準線性逐層（layer-by-layer，LBL）膜沉積在多層聚合物的頂部作為保護硬層，形成模仿表皮結構的分層狀態。這一混合多層膜結構在受到破壞后可以實現完全自我修復：柔軟的下層可以提供附加的聚合物來幫助外硬層的恢復。

氧化石墨烯：開發出超硬耐磨自修復石墨烯涂層

掃描電鏡分層涂層（左）皮膚結構（右）


據項目研究人員楊介紹，目前的自修復材料和涂料往往很軟，磨損很快，由此造成了類似塑料廢物一樣的管理方面的問題。其研究團隊的新設計可以幫助解決這些問題，將軟涂層的彈性與硬涂層的剛性相結合。


“這種材料是一種效果優異的仿生皮膚，牙釉質雖然堅硬卻不可復原，而這種材料卻可以從內部自發完成自我修復”。


這種新材料的外部由氧化石墨烯賦予硬度，內部由單寧（鞣酸）和聚乙烯醇（PVA）形成氫鍵動態結構，這與皮膚表皮細胞結構類似，內外各司其職滿足了耐磨并且柔韌的特性。“內部向外部提供聚合物，而外部則成為阻擋聚合物擴散的屏障，當然，就硬度而言皮膚片狀細胞和氧化石墨烯沒得比。”將新材料進行分離測試，內外部結構都沒有自我修復能力，但是將兩者恰當的結合到一起之后，這種復合材料就展示出了自愈能力。


研究人員建議可以將新材料用于防劃傷涂層，并且由于其具備一定的生物相容性，或者也可以用于醫療設備涂層。但是目前階段，它仍有不足，涂層需要用水激發完成修復。“室內操作還可以接受，但用于戶外或是電子設備等領域則是不可接受的”，研究小組解釋道。因此，目前正在開展關于光敏或熱敏激發自愈可能性的進一步研究。

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