莱斯大学 莱斯大学的一名研究人员称，带有石墨烯和白色石墨烯纳米片网络的陶瓷在受到应变时，将具有改变其电特性的独特能力
这种惊人的能力可能会导致新型的结构传感器
学分:鲁兹贝·沙赫萨瓦里/莱斯大学 一种在弹性应变下导电能力更强而在塑性应变下导电能力更弱的陶瓷，可能会导致新一代传感器嵌入到建筑物、桥梁和飞机等能够监测自身健康的结构中
直到莱斯大学的土木与环境工程、材料科学和纳米工程助理教授鲁茨贝·沙赫萨瓦里和他的同事们模拟出一种新型的二维化合物——石墨烯-氮化硼(GBN)之后，这两种类型的应变导致的电学差异才变得明显
在弹性应变下，像橡皮筋一样拉伸的材料的内部结构不会改变
但是同样的材料在塑性应变下——在这种情况下是由于拉伸到超过弹性而变形——会扭曲其晶格
事实证明，GBN在每种情况下都表现出不同的电学性质，这使得它成为一种有价值的结构传感器候选材料
沙沙瓦里已经确定六方氮化硼——也就是白色石墨烯——可以改善陶瓷的性能
他和他的同事们现在发现，添加石墨烯使它们更加坚固，用途更加广泛，还有令人惊讶的电学特性
神奇之处在于二维碳基石墨烯和白色石墨烯能够根据其相对浓度以多种方式相互结合
虽然石墨烯和白色石墨烯自然会避开水，导致它们结块，但在陶瓷制造过程中，结合在一起的纳米片很容易分散在浆料中
根据作者的理论模型，最终的陶瓷将成为具有增强的弹性、强度和延展性的可调谐半导体
这项研究由伊朗科技大学结构工程助理教授、澳大利亚墨尔本莫纳什大学研究员沙沙瓦里和阿斯加尔·哈比卜内贾德·科拉耶姆领导，发表在美国化学学会杂志《应用材料与界面》上
石墨烯是一种被广泛研究的碳形式，因其缺乏带隙而闻名——带隙是电子必须跳跃才能使材料导电的区域
由于没有带隙，石墨烯是一种金属导体
带隙很宽的白色石墨烯是绝缘体
所以二维化合物中石墨烯的比例越大，材料的导电性就越好
以足够高的浓度混合到陶瓷中，这种被称为GBN的二维化合物将形成一个网络，其导电性与基质中的碳量相当
这使得整个复合材料具有可调的带隙，可用于各种电气应用
沙赫萨瓦里说:“将石墨烯和氮化硼等二维材料融合到陶瓷和水泥中，可以产生新的成分和性能，这是我们用石墨烯或氮化硼本身无法实现的。”
该团队使用密度泛函理论计算来模拟混有托贝莫来石的二维化合物的变化，托贝莫来石是一种硅酸钙水合物材料，通常用作混凝土的水泥
他们确定陶瓷中形成的氧硼键会使它变成p型半导体
托贝莫来石本身具有大约4的大带隙
5电子伏特，但研究人员计算出，当与等量石墨烯和白色石墨烯的GBN纳米片混合时，这一差距将缩小到0
624电子伏
当在弹性范围内应变时，陶瓷的带隙下降，使材料更具导电性，但当超过弹性范围(即在塑性范围内)时，它变得不太导电
研究人员说，这种转变使它成为自我感知和结构健康监测应用的一种有前途的材料
研究人员提出，其他含有二硫化钼、二硒铌或层状双氢氧化物的二维薄片，可能为自下而上设计可调多功能复合材料提供类似的机会
“这将为水泥和混凝土加固提供一个最小尺寸的基础平台，”沙沙瓦里说
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