双层石墨烯转化成新材料：比钻石更硬，能抵挡子弹！

导读

最近，美国纽约市立大学开发出一种制造新材料“diamene”的工艺，diamene 是一种柔韧的分层石墨烯薄片，短时间内比钻石更硬，对于任何冲击来说几乎坚不可摧。

背景

石墨烯，是一种具有众多卓越特性的二维材料，它具有单层碳原子组成的蜂窝状结构，厚度仅是人类发丝直径的百万分之一，而强度却胜过钢铁百倍，导电性能却胜过铜，所以非常适合用于电子器件。对于石墨烯的相关特性和用途介绍，笔者在之前很多篇文章中都有过提及，这里就不一一赘述了。

（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

今天，让我们想象石墨烯的另外一种奇特的用途：将它制成一种柔韧且轻量的金属薄片，而且变得足够坚硬，甚至可以抵挡得住子弹的冲击。

（图片来源：Red Orbit）

创新

在一篇发表于《自然纳米技术》的论文中，美国纽约市立大学（CUNY）描述了一种制造新材料“diamene”的工艺。diamene 是一种柔韧的分层石墨烯薄片，短时间内比钻石更硬，对于任何冲击来说几乎坚不可摧。

（图片来源：Ella Maru Studio）

技术

纽约市立大学研究生中心高级科学研究中心（ASRC）的科学家们致力于双层石墨烯的理论化和测试。每一层石墨烯只有一个原子的厚度，可在室温条件下转化为类似钻石的材料，且经受得住猛烈的冲击。团队也发现，在发生这种转化的时刻，会引发电流突然减少，这也说明 diamene 的电子和自旋电子特性也非常吸引人。

ASRC 物理学教授以及项目的领导研究员 Elisa Riedo 表示，这是有史以来具有钻石般硬度且最薄的膜。之前，当我们测试石墨或者单层石墨烯时，我们会施加压力，感受到的薄膜是非常柔软的。但当石墨薄膜只有两层厚度，突然间我们意识到这种材料受到压力时，将变得极度坚硬，甚至比钻石更硬。

研究团队成员、CUNY 斯塔滕岛学院的化学系副教授 Angelo Bongiorno 开发出了制造 diamene 的理论。当给两层蜂巢状的石墨烯层（通过不同的配置对齐）施加压力时，他和同事们使用微型计算机为潜在的结果建模。然后，Riedo 和其他团队成员然后使用原子力显微镜，为处于碳化硅衬底上的两层石墨烯施加局部压力，而且发现与计算结果完全一致。实验和理论都显示，这种石墨烯向钻石的转变不会发生于两层以上或者单层的石墨烯层。

Bongiorno，石墨和钻石都完全由碳原子组成，但是碳原子在这两种材料中的排列方式不同。如下图所示，一个光亮坚硬，一个乌黑柔软。因此，它们在硬度、柔韧度和导电程度等方面都具有不同的特性。

（图片来源于：维基百科）

价值

研究人员的新技术让他们可以操控石墨，使其在特殊条件下，发挥有益特性。这项新发现将很可能应用于耐磨的防护涂层以及超轻防弹膜。

另外根据研究论文，研究团队的工作成功地为研究二维材料中石墨到钻石的相变，开启了新的可能性。未来的研究将探索新方法，用于稳定这种转化以及产生出的材料的进一步应用。

关键字

石墨烯、钻石、二维材料

参考资料

【1】http://www.asrc.cuny.edu/2017/12/18/diamene-study/

【2】Yang Gao et al, Ultrahard carbon film from epitaxial two-layer graphene, Nature Nanotechnology (2017).  DOI: 10.1038/s41565-017-0023-9

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