二維材料（2D material）是一種比紙還薄的物質，但它們具有驚人的力學性能，被認為是地球上*堅固的材料之一。然而，要把這些材料堆疊起來使用，卻是一件非常困難的事情。因為當這些材料疊加在一起時，它們之間的相互作用很弱，導致它們的力學性能大打折扣，限制了它們的實際應用。

現(xiàn)在，美國的科學家們找到了突破這一障礙的方法。他們通過微調二維聚合物 —— 共價有機框架（COFs）的分子結構，創(chuàng)造出一種輕盈而強韌的新型材料，即使疊加多層，也能保持其二維特性。

“這是一個非常令人興奮的起點�！眮碜匀R斯大學材料科學與納米工程系的教授 Jun Lou 說，他領導了萊斯大學的研究團隊。

研究人員利用分子水平的模擬，研究了不同的官能團 —— 即分子元素的排列方式，并設計了兩種結構略有差異的 COFs。然后，他們研究了這些 COFs 在疊加成多層時的行為。結果發(fā)現(xiàn)，微小的結構差異導致了截然不同的結果。

*種 COF，像大多數(shù)二維材料一樣，只顯示出很弱的層間相互作用，隨著層數(shù)增加，其強度和彈性都消失了。而第二種 COF 卻不同，“它表現(xiàn)出強烈的層間相互作用，并且即使增加多層，也保持了良好的力學性能。”該論文的共同*作者、萊斯大學博士生 Qiyi Fang 說。

據(jù)研究人員推測，這種現(xiàn)象很可能是由于氫鍵作用�！拔覀儚哪�擬中發(fā)現(xiàn)，在第二種 COF 中，由于其特殊官能團之間顯著增強了氫鍵作用，導致了強大的層間相互作用�！痹撜撐牡牧硪晃还餐�*作者、馬里蘭大學機械工程系博士后研究員 Zhengqian Pang 說。

在此基礎上，研究團隊制造出了一種輕盈而強韌的新型材料，它不僅比鋼鐵堅固幾倍，而且即使疊加多層，也能保持其二維特性。這種材料有許多潛在的應用領域。

“COFs 可以制成*的過濾膜�！比R斯大學的 Lou 說，“對于一個過濾系統(tǒng)來說，在孔隙處的官能團結構非常重要。當你有污水通過 COF 膜時，孔隙處的官能團會捕獲雜質，只讓所需的分子通過。在這個過程中，膜的力學完整性非常重要�，F(xiàn)在我們有了一種方法，可以設計非常強韌、抗斷裂的多層二維聚合物，它們可以是非常好的過濾膜候選材料�！�

“另一個潛在的應用是提升電池性能：用硅代替石墨作為陽極，可以大大增加當前鋰離子電池技術的儲能容量。”他說。

這項研究還可能促進一系列材料的設計，包括陶瓷和金屬。例如，陶瓷依賴于在非常高的溫度下形成的離子鍵，這就是為什么一個破碎的咖啡杯不能輕易修復。同樣，金屬也需要在高溫下鍛造。而通過研究人員探索的分子微調方法，類似的產(chǎn)品或許可以在不加熱的情況下制造和修復。

這項研究發(fā)表在《美國國家科學院院刊》上。

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