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水稻研究揭示了二维纳米材料的关键动力学,以期实现更大规模的生产

研究绘制了石墨烯、六方氮化硼在水溶液中的扩散

莱斯大学的一组研究人员绘制了2D材料的斑点如何在液体⎯知识中移动,这可以帮助科学家组装具有与2D对应物相同有用特性的宏观尺度材料。

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Utana Umezaki是莱斯大学的研究生,也是发表在ACS Nano上的一项研究的主要作者。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

“二维纳米材料是极薄的⎯只有几个原子厚的⎯片状材料,”赖斯大学研究生Utana Umezaki说,他是发表在ACS Nano上的一项研究的主要作者。“它们的行为与我们日常生活中习惯的材料截然不同,并且具有非常有用的特性:它们可以承受很大的力,抵抗高温等等。为了利用这些独特的特性,我们必须想办法将它们转化为更大规模的材料,如薄膜和纤维。

为了保持其散装形式的特殊性能,必须正确对齐 ⎯ 该过程通常发生在溶液阶段。水稻研究人员专注于由碳原子组成的石墨烯和六方氮化硼,这是一种与石墨烯结构相似但由硼和氮原子组成的材料。

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(图片由Mario Norton/莱斯大学提供)

“我们对六方氮化硼特别感兴趣,它有时被称为’白色石墨烯’,与石墨烯不同,它不导电,但具有很高的抗拉强度和耐化学性,”化学,生物工程,材料科学和纳米工程教授AngelMartí说。“我们意识到的一件事是,六方氮化硼在溶液中的扩散还不是很清楚。

“事实上,当我们查阅文献时,我们发现石墨烯也是如此。我们无法找到这些材料在单分子水平上的扩散动力学,这就是促使我们解决这个问题的原因。

研究人员使用荧光表面活性剂(即发光肥皂)来标记纳米材料样品并使其运动可见。这种运动的视频使研究人员能够绘制出样品的轨迹,并确定它们的大小与它们的运动方式之间的关系。

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Utana Umezaki(左)和Angel Martí(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

“从我们的观察中,我们发现它们的运动速度和大小之间存在一个有趣的趋势,”Umezaki说。“我们可以用一个相对简单的方程式来表达趋势,这意味着我们可以用数学来预测运动。

石墨烯被发现在液体溶液中的移动速度较慢,可能是因为它的层比六方氮化硼更薄、更灵活,从而产生更大的摩擦力。研究人员认为,从实验中得出的公式可用于描述其他2D材料在类似环境中的运动方式。

“了解这些材料在密闭环境中的扩散方式很重要,因为⎯如果我们想制造纤维,例如⎯,我们通过非常薄的注射器或喷丝板挤出这些材料,”马蒂说。“因此,这是了解这些材料在这种密闭环境中如何开始组装和表现的第一步。

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阿纳托利·科洛梅斯基(左)是莱斯大学化学、化学和生物分子工程教授。Matteo Pasquali 是 AJ Hartsook 化学和生物分子工程教授,也是化学、材料科学和纳米工程教授。(摄影:Gustavo Raskoksy/莱斯大学)

作为研究二维纳米片材料流体动力学的首批研究之一,该研究有助于填补该领域的空白,并可能有助于克服二维材料制造挑战。

“我们研究这些构建块的最终目标是能够生成宏观材料,”马蒂说。

莱斯大学化学、化学和生物分子工程教授阿纳托利·科洛梅斯基(Anatoly Kolomeisky)和化学与生物分子工程教授、化学、材料科学与纳米工程教授马泰奥·帕斯夸利(Matteo Pasquali)是该研究的通讯作者。

该研究得到了美国国家科学基金会(1807737,2108838),空军科学研究办公室(FA9550-19-1-7045)和韦尔奇基金会(C-2152,C-1668,C-1559)的支持。

同行评议论文:

六方氮化硼纳米片和石墨烯的二维布朗扩散 |ACS纳米 |DOI: 10.1021/acsnano.3c11053

作者:Utana Umezaki、Ashleigh D. Smith McWillams、Zhao Tang、Zhi Mei Sonia He、Ivan R. Siqueira、Stuart J. Corr、Hijun Ryu、Anatoly B. Kolomeisky、Matteo Pasquali 和 Angel A. Martí

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11053

图片下载:

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图片说明:Utana Umezaki是莱斯大学的研究生,也是发表在ACS Nano上的一项研究的主要作者。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

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(图片由Mario Norton/莱斯大学提供)

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研究人员使用荧光表面活性剂(即发光肥皂)来标记纳米材料样品并使其运动可见。(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

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图片说明:Utana Umezaki(左)和Angel Martí(摄影:Jeff Fitlow/莱斯大学)

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图片说明:阿纳托利·科洛梅斯基(Anatoly Kolomeisky)(左)是莱斯大学化学、化学和生物分子工程教授。Matteo Pasquali 是 AJ Hartsook 化学和生物分子工程教授,也是化学、材料科学和纳米工程教授。(摄影:Gustavo Raskoksy/莱斯大学)

链接:

Kolomeisky Research Group: https://kolomeisky.rice.edu/

莱斯大学的Angel Martí小组:https://martigroup.rice.edu/

帕斯夸利研究小组:https://pasquali.rice.edu/

生物工程系:https://bioengineering.rice.edu/

碳枢纽:https://carbonhub.rice.edu/

化学系:https://chemistry.rice.edu/

化学与生物分子工程系:https://chbe.rice.edu/

材料科学与纳米工程系:https://msne.rice.edu/

威斯自然科学学院:https://naturalsciences.rice.edu

George R. Brown School of Engineering:https://engineering.rice.edu

新闻旨在传播有益信息,英文版原文来自https://news.rice.edu/news/2024/rice-research-unveils-key-dynamics-2d-nanomaterials-view-larger-scale-production