.
Os materiais 2D obtêm sua força de sua estrutura semelhante a uma folha, com espessura de átomo. No entanto, empilhar várias camadas de um material 2D irá exaurir as qualidades que o tornam tão útil.
Jun Lou, cientista de materiais da Universidade Rice, e colaboradores da Universidade de Maryland, mostraram que o ajuste fino das interações intercamadas em uma classe de polímeros 2D conhecidos como estruturas orgânicas covalentes (COFs) pode determinar a perda ou retenção de propriedades mecânicas desejáveis em multicamadas ou volume forma. No processo, os pesquisadores desenvolveram um material leve com alta rigidez e resistência que preserva suas propriedades 2D mesmo como uma pilha multicamada, de acordo com um estudo publicado na Anais da Academia Nacional de Ciências.
A descoberta é um primeiro passo para permitir o uso de polímeros 2D em aplicações multifuncionais em larga escala, onde as propriedades mecânicas são importantes e podem abrir as portas para novos sistemas de filtragem de alto desempenho, captura de carbono e tecnologias de armazenamento de energia.
“Isso para nós é um ponto de partida muito emocionante”, disse Lou. “Uma coisa muito boa sobre COFs e outros polímeros 2D é que você tem muitos botões químicos que podem ser ajustados. Isso significa que você pode projetar racionalmente as interações entre camadas. Essencialmente, você pode criar sistemas modulares muito fortes usando o design de interação entre camadas.”
Os pesquisadores observaram como dois COFs com estruturas muito semelhantes se comportam quando várias camadas foram empilhadas juntas e descobriram que uma pequena diferença em sua estrutura levava a padrões completamente diferentes de interação entre camadas.
“Para projetar com sucesso COFs com interações intercamadas desejáveis, você precisa de conhecimento científico sobre as estruturas materiais dos COFs”, disse Teng Li, professor de engenharia mecânica em Maryland. “Para esse fim, contamos com simulações de primeiros princípios dos materiais COF em escala molecular para oferecer diretrizes cruciais de design”.
Qiyi Fang, ex-aluno de Rice e co-autor principal do estudo, disse que o laboratório Rice projetou dois tipos de COFs com base na visão científica das simulações desenvolvidas por colegas em Maryland.
“Um dos COFs, como a maioria dos materiais 2D, não tem uma interação intercamada muito forte, e a resistência e a elasticidade do material diminuem com o número de camadas adicionadas”, disse Fang. “O outro COF, no entanto, exibe forte interação entre camadas e mantém suas boas propriedades mecânicas mesmo com a adição de múltiplas camadas.”
O pesquisador de Maryland e co-autor Zhenqian Pang disse que as simulações ajudaram a identificar por que os dois COFs se comportaram de maneira diferente.
“Descobrimos que a forte interação entre camadas no último COF resulta da ligação de hidrogênio significativamente aprimorada entre seus grupos funcionais especiais”, disse Pang.
O fato de que fortes interações entre as camadas de material 2D se correlacionam com a persistência de propriedades mecânicas desejáveis na forma multicamada ou a granel do material dá aos pesquisadores uma pista sobre o que é necessário para fazer um material em camadas volumosas que retenha as propriedades mecânicas de sua contraparte 2D .
“Acreditamos que essa forte interação entre as camadas se deve principalmente à química da ligação de hidrogênio”, disse Lou. “As ligações de hidrogênio são universais e ocorrem em muitos sistemas. Em nosso estudo, mostramos que essas ligações de hidrogênio entre as camadas não são apenas bastante fortes, mas também dinâmicas no sentido de que, se quebrarem sob tensão, elas se reformarão quando as camadas deslizarem sobre uma. outro.”
Facilitar ligações mais fortes entre camadas de material 2D pode enfraquecer as ligações que conectam os átomos dentro de uma camada.
“O ajuste de interação entre camadas é possível em outros materiais 2D, mas o que geralmente acontece é que você vai sacrificar o forte ambiente de ligação no plano desses materiais 2D para ter esses grupos funcionais conectados”, disse Lou. “Portanto, é realmente uma compensação. Com polímeros 2D, você não precisa necessariamente ter essa compensação. Essa é uma das motivações muito importantes para tomar essa direção em nossa pesquisa.”
Um polímero 2D é feito de agrupamentos de átomos idênticos com elementos de ligação – os grupos funcionais – ao longo de cada uma de suas bordas.
“O polímero 2D é uma espécie de sistema de design, no sentido de que é muito ajustável”, disse Lou.
Em pesquisas anteriores sobre materiais 2D, Lou e colaboradores mostraram que o nitreto de boro hexagonal (h-BN) era 10 vezes mais resistente à fratura do que o grafeno.
“Como no grafeno ou no h-BN, você ainda tem essa estrutura de treliça hexagonal – seis átomos em um padrão hexagonal que você repete indefinidamente”, disse Lou. “Mas para o polímero 2D, você também tem um linker ou unidade nodal, o que torna o hexágono maior.”
Um elemento repetido maior significa que o material é menos denso.
“Este COF é quase 10 vezes menos denso que o grafeno ou o h-BN”, disse Fang. “Como resultado, a resistência específica e a rigidez específica do COF estão entre as mais altas relatadas.”
“Isso é significativo porque, se pudermos mostrar que esse material 2D é tão resistente a fraturas quanto o h-BN, também é significativamente mais leve”, acrescentou Lou. “Quando você quer maior força sem aumentar o peso da sua estrutura, isso pode ser útil.
“Essa descoberta está relacionada a algumas das ideias mais voltadas para aplicativos”, disse ele. “COFs podem ser excelentes membranas de filtração, por exemplo. Agora temos uma maneira de projetar polímeros 2D multicamadas muito fortes e resistentes a fraturas que podem ser bons candidatos para aplicações de filtração por membrana.”
Lou disse que outra aplicação potencial é para atualizar o armazenamento de energia.
“Já exploramos a funcionalidade COF para otimizar o desempenho da bateria de íons de lítio e isso mostra que estamos no caminho certo”, disse ele. “Para todas essas aplicações, as propriedades mecânicas dos polímeros 2D – especialmente em termos de resistência à fratura – são muito importantes.”
De acordo com Li, o principal insight do estudo é que “o ajuste da ligação intermolecular secundária é uma estratégia eficaz de design de materiais que pode permitir o desenvolvimento de uma série de novos materiais com propriedades aprimoradas.
“Isso é diferente dos métodos convencionais de design de materiais que dependem amplamente da ligação primária”, disse ele. “Existem oportunidades férteis para projetar materiais com esta nova estratégia.”
Lou é professor e chefe do departamento associado de ciência de materiais e nanoengenharia da Rice.
O Laboratório de Pesquisa do Exército (W911NF-18-2-0062), a Fundação Welch (C-1716) e o Centro de Computação de Pesquisa Avançada de Maryland apoiaram a pesquisa.
.
