氧化石墨烯：开发出超硬耐磨自修复石墨烯涂层

氧化石墨烯：开发出超硬耐磨自修复石墨烯涂层

日前，美国化学学会发表了来自哈工大关于超硬耐磨并可自修复涂层的研究成果。研究人员将氧化石墨烯和柔软自愈的聚合物结合，开发出了一种特别的新材料。


1月31日，《ACS Nano》在线发表了哈尔滨工业大学研究人员将氧化石墨烯和柔软自愈的聚合物结合，开发出超硬耐磨自愈性石墨烯复合材料的最新研究成果。该论文题为“An Epidermis-like Hierarchical Smart Coating with a Hardness of Tooth Enamel”。


研究小组设计了一种让人联想到人类表皮自我修复功能的涂层，但它却具有牙釉质般的强度，可用于建筑涂料和生物医学设备涂层领域。该研究将氧化石墨烯和柔软自愈的聚合物相结合。


该研究通过将表皮状分层结构与氧化石墨烯的机械性能和阻隔性能相结合，克服了实现具有自愈能力的硬质材料的基本困境，并表明这种仿生设计使得具有协同修复效果的智能分层涂层系统的刚度（31.4±1.8 GPa）/硬度（2.27±0.09 GPa）均达到创纪录水平，甚至可与牙釉质相媲美。


由石墨烯氧化物构成的准线性逐层（layer-by-layer，LBL）膜沉积在多层聚合物的顶部作为保护硬层，形成模仿表皮结构的分层状态。这一混合多层膜结构在受到破坏后可以实现完全自我修复：柔软的下层可以提供附加的聚合物来帮助外硬层的恢复。

氧化石墨烯：开发出超硬耐磨自修复石墨烯涂层

扫描电镜分层涂层（左）皮肤结构（右）


据项目研究人员杨介绍，目前的自修复材料和涂料往往很软，磨损很快，由此造成了类似塑料废物一样的管理方面的问题。其研究团队的新设计可以帮助解决这些问题，将软涂层的弹性与硬涂层的刚性相结合。


“这种材料是一种效果优异的仿生皮肤，牙釉质虽然坚硬却不可复原，而这种材料却可以从内部自发完成自我修复”。


这种新材料的外部由氧化石墨烯赋予硬度，内部由单宁（鞣酸）和聚乙烯醇（PVA）形成氢键动态结构，这与皮肤表皮细胞结构类似，内外各司其职满足了耐磨并且柔韧的特性。“内部向外部提供聚合物，而外部则成为阻挡聚合物扩散的屏障，当然，就硬度而言皮肤片状细胞和氧化石墨烯没得比。”将新材料进行分离测试，内外部结构都没有自我修复能力，但是将两者恰当的结合到一起之后，这种复合材料就展示出了自愈能力。


研究人员建议可以将新材料用于防划伤涂层，并且由于其具备一定的生物相容性，或者也可以用于医疗设备涂层。但是目前阶段，它仍有不足，涂层需要用水激发完成修复。“室内操作还可以接受，但用于户外或是电子设备等领域则是不可接受的”，研究小组解释道。因此，目前正在开展关于光敏或热敏激发自愈可能性的进一步研究。

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