石墨烯让碳纳米管气凝胶变坚韧

据物理学家组织网近日报道，美国宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基·梅隆大学的研究人员在易碎的 碳纳米管气凝胶上覆盖 石墨烯涂层，使其犹如穿上超人斗篷一样，在强度压力下一改易塌瘪状态而转变得坚韧耐压，而当卸除负载后又可完全恢复原状。该研究结果刊登在《自然·纳米技术》杂志上。

研究人员说，他们演示的碳纳米管网状物从脆弱性转变成超弹性，仅仅是通过 石墨烯涂层实现的，其所提供的超弹性和耐疲劳性，将使碳纳米管气凝胶在包括电极材料、人工肌肉和其他机械结构等各种领域得以广泛应用。

通常情况下，涂层增加了材料耐腐蚀、润滑、美观、表面化学变更、密封等特性，但不利于力学性能的变化。研究人员说：“正常的凝胶大多是由使其表面交错相连的网状液体材料构成，气凝胶是用气体更换了凝胶中的液体材料。在临界温度把凝胶烘干，由此产生的气凝胶是体积上由99.9％空气组成的轻质材料，但也具有干燥、刚性好、坚实如固体的特点。”

在目前的研究中，研究人员采用已添加了空气的碳纳米管气凝胶，其由约1微米长的分散的碳纳米管构成。碳纳米管气凝胶在压力下会保有其形状，是因为在节点的分子间相互作用，碳纳米管会在各个点上相互交叉。然而，当将这些气凝胶在其原来大小基础上压缩高达90%的程度时，它们即会倒塌或导致永久性变形，以此限制了其潜在的应用。

在非涂层的气凝胶里，强力压缩后，在节点上支持气凝胶网状结构的支柱可以弯曲和自由旋转，从而增加了碳纳米管和形成的新节点之间的接触面积。当去除负载后，恢复这些节点到原状则需要比施加压力更多的力量。正因为碳纳米管气凝胶没有恢复之力来突破压缩过程中形成的新节点，由此不会回到原来的形状。

为了克服这种缺乏弹性的问题，研究人员在碳纳米管气凝胶上涂上1到5层石墨烯涂料。研究人员认为，石墨烯涂层可加强节点支柱，赋予其超弹特性。相比之下，强力压缩节点时，覆盖石墨烯涂层的碳纳米管气凝胶具有强大的支柱不易旋转，在节点上的石墨烯会被压缩和弄皱，而这样的石墨烯薄片会提供恢复力，像弹簧一样打破所形成的新节点。

研究表明，涂有石墨烯的碳纳米管气凝胶可以经受高度压缩，之后可反弹恢复到其原来的形状。其可承受超过100万次的压缩循环，并在压力释放后仍能恢复其原来的形状。如此不仅能够使气凝胶抵挡住强力压缩变成超弹性材料，同时还保持了其多孔性和导电性等属性。显然，该特性为未来新的气凝胶应用打开了一扇大门。