Nacre의 강성 향상 | 쉬저우 치과 Burs 그룹 유한 회사

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 16452(2015) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

중합체 및 그래핀 유도체의 층상 조립체는 단단한 결정 도메인을 갖는 연질 유기층을 삽입하는 진주층의 테스트된 전략을 사용합니다. 이러한 계층형 시스템은 일반적으로 단순한 혼합 규칙 예측을 초과하는 탄성 특성을 나타내지만 이 현상의 분자 기원은 잘 이해되지 않습니다. 여기서 우리는 모델 계층 그래핀-고분자 나노복합체에서 나노제한 고분자 층의 탄성 거동을 정량화하여 이 문제를 해결합니다. 새롭고 검증된 거친 분자 역학 시뮬레이션 접근법을 사용하여 여기서 우리는 층상 나노복합체의 탄성 특성이 부피 분율 고려 사항만으로는 설명할 수 없으며 계면 에너지와 나노 구조 모두에 크게 의존한다는 것을 명확하게 보여줍니다. 우리는 폴리머 구조와 탄성에 대한 폴리머 나노감속과 계면 에너지의 상대적 중요성을 정량화하고 서로 다른 고유 탄성 특성을 가진 두 폴리머에 대한 모델의 타당성을 설명합니다. 우리의 이론적 모델은 모든 재료 설계 매개변수를 고려하여 진주층에서 영감을 받은 나노복합체의 탄성 반응을 정확하게 예측하는 단계 다이어그램에서 최고조에 달합니다. 우리의 연구 결과는 층별 나노복합체의 기계적 특성을 개선하기 위해 나노감속을 활용하는 데 널리 적용 가능한 규범적 지침을 제공합니다. 우리의 발견은 진주층의 유기층의 탄성 특성이 원래 상태와 추출된 상태와 여러 가지 차이를 나타내는 이유를 설명하는 역할도 합니다.

진주층, 즉 진주모는 많은 연체동물 껍질의 내부 층입니다. 이는 부서지기 쉬운 무기 아라고나이트 소판과 부드러운 유기 생체고분자 층으로 구성된 벽돌 모르타르 형태의 나노구조를 가지고 있습니다. 유기층은 중량이 5% 미만이지만 전단 변형을 통한 하중 전달, 연질 매트릭스에 도달 시 균열 트래핑 또는 큰 변형을 허용하여 인성 증폭과 같은 제안된 다양한 메커니즘을 통해 인성을 몇 배나 증가시킵니다. 및 점탄성1,2. 진주층이 층별 나노 구조에서 발생하는 뛰어난 특성을 가지고 있다는 단서에 따라 인공 진주층과 같은 나노복합체는 최근 다양한 기술을 사용하여 제조되었습니다. 층별(LbL) 조립을 통해 얻은 고분자-점토 나노복합체의 탄성 계수와 최대 인장 강도는 진주층에서 관찰된 것보다 훨씬 뛰어났습니다. 이제 합성 기술의 발전으로 2nm만큼 얇은 폴리머 층을 갖춘 정밀한 나노구조가 가능해졌습니다. 초박형 레이어는 유익한 특성을 유지하면서 폴리머 부피 분율을 최소화하여 매우 높은 강성과 인성을 촉진합니다8.

폴리머 층을 초박형 크기로 제한하면 연질 상의 특성을 측정하기가 어렵습니다. 선형 탄성 파괴 역학 고려 사항은 진주층9,10,11,12,13,14,15에 대해 제안된 여러 강화 메커니즘에 기여하기 위해 연질 상과 경질 상 사이의 모듈러스 불일치가 높아야 함을 시사합니다. 경질 층과의 계면(재료의 서로 다른 두 상 사이에 형성된 경계면)이 간기(전이 영역)에 기인하는 벌크 거동에서 벗어나는 연질 상 영역을 발생시키기 때문에 연질 상에 대한 벌크 특성을 가정하는 것은 오해의 소지가 있을 수 있습니다. 물질의 두 가지 다른 단계 사이) 나노복합체의 형성. 합성 나노복합체에 대한 체계적인 연구는 불침투성 혈소판에 의해 유도된 위상적 제약, 표면에 대한 사슬 흡착 및 나노내포물의 분산과 같은 여러 분자 메커니즘이 폴리머 나노층의 기계적 특성에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이러한 메커니즘을 집합적으로 나노감속 효과라고 하며 진주층 및 진주층에서 영감을 받은 시스템에서 관찰되는 예외적으로 높은 탄성 반응에 기여할 수 있다는 가설을 세웠습니다. 이러한 효과에 대한 상황적 증거의 대부분은 층상 나노복합체19,20,21,22,23와 유사하게 기판 효과로 인해 유리 전이 거동의 급격한 변화를 나타내는 고분자 박막에서 나옵니다. 강한 접착 에너지를 갖는 단단한 표면 근처에 고분자 박막을 나노 구속하면 겉보기 유리 전이 온도(Tg)가 더 높아지고 탄성 특성이 Tg(Tg) 위와 아래에서 모두 변경될 수 있습니다. 이러한 특성이 변하는 길이 규모, 소위 간기 폭은 실험적으로 측정하기 어렵지만 나노복합체의 점탄성 특성을 지배하는 핵심 요소입니다. 나노압입 실험, AFM 이미징 및 유한 요소 모델링12,33,34,35,36,37에서 알 수 있듯이 이러한 간기는 진주층에도 존재합니다. 이러한 조사는 유기층의 탄성 계수가 유기층에 대해 예상되는 것보다 더 높으며 대체로 2~40GPa 범위에 있다는 관찰에 동의합니다. 반대로, 유기 층의 실제 벌크 특성에 대한 연구에서는 다양한 실험 기법을 사용하여 유기 상의 탄성 계수가 100 Pa38 ~ 20-100 MPa39인 것으로 보고되었습니다. 우리는 이러한 분석에 사용된 마이크로역학 모델과 측정이 반결정성 고분자-점토 나노복합체에서 관찰된 것처럼 이러한 시스템에서 발생할 수 있는 이방성을 설명하지 못하는 경우가 많다는 점에 주목합니다. 따라서 얻은 이러한 값은 대표적인 등방성 등가 재료 상수로 간주됩니다. 진주층과 진주층에서 영감을 받은 나노복합체의 나노층에 제한된 유기층이 나노제한 하에서 상당한 차이를 보이는 것은 분명하지만 이러한 특성이 층 두께 및 계면 에너지와 같은 요인에 어떻게 의존하는지는 아직 확립되지 않았습니다.

1, the sheets, AB stacked in a staggered fashion, are shifted by one half of the length of the graphene flake with respect to the neighboring (above or below) layers, resulting in an overlapping percentage of 50%. In the polymer phase, PMMA chains with 100 monomers per chain are first equilibrated at 800 K and then slowly cooled down to room temperature. The polymer films with different thickness h are then placed onto the graphene phase to create the layered systems. The interaction between the graphene and polymer is captured by the LJ 12-6 potential:/p> 2hint, this bilayer composite model resumes to our empirical model in Equation 9. By equating Equation 9 and 11, we can define Esurf in terms of h0 using our simulation data simply as:/p>1. The modulus is calculated to be Eg ~ 300 GPa, which is in agreement with simulation results on multilayer graphene sheets from our previous study42. For systems with N = 1, the calculated elastic modulus of graphene phase is lower due to sheet discontinuities and depends on the graphene polymer interfacial interaction strength (details in supporting information). Regardless, the elastic modulus can be estimated by using a rule of mixtures using our predictions for nanoconfinement and interfacial energy effects. Figure 7 summarizes the elastic modulus predictions for the whole nanocomposite using our simple model. In this particular system, the much stiffer graphene phase dominates the overall elastic response of the nanocomposite. In many biological and bio-inspired nanocomposites, the hard phase materials possess much a lower elastic response than graphene and interfacial energy can be very high through the use of strong electrostatic interactions. Additionally, our analysis on lower cohesive forces between polymers also serves to emulate hydrated systems where a lower bulk modulus but a greater increase in the confined modulus is likewise anticipated. Thus, the nanoconfinement effects seen here are likely conservative estimates and a much greater contribution from the stiffening of the soft polymer phase can be anticipated in certain relevant cases./p>