多层石墨烯片状薄膜（MGPF）因其卓越的机械、电气和化学特性而被广泛研究。MGPFs的弹性特性和变形机制对其几何参数高度敏感，包括石墨烯片尺寸、石墨烯面积分数和层数。尽管进行了广泛的实验和理论努力，但系统地量化这些影响仍然是一个重大挑战，严重阻碍了高性能 MGPF的设计。在这里，构建了MGPF的逼真随机3D周期性代表体单元（RVE）模型来执行模拟，量化不同几何参数对其所有五个独立弹性特性的影响，并揭示主要的变形机制。结果表明，无量纲血小板大小、石墨烯面积分数和血小板层数显着影响弹性特性，并为它们的关系提供了详细的量化。还探讨了缺陷对弹性性能的影响，为了解主要的变形机制提供了见解。根据实验数据进行的验证证实，开发的RVE模型和无量纲结果适用于各种多层层压复合材料，包括MGPFs、MXene、氧化石墨烯薄膜和珍珠层状材料。这些发现提供了一个强大的框架，并为优化MGPF和其他层压复合材料的设计铺平了道路，从而在各种应用中发挥其潜力。
创新点
- 方法论创新：首次建立包含随机分布特征的3D周期性RVE模型，突破了传统均匀化假设的局限性。
- 理论突破：实现五个独立弹性参数的同步精确量化，建立了完整的几何参数-性能映射关系。
- 尺度效应研究：揭示无量纲化片层尺寸对界面应力传递效率的调控机制。
对科研工作的启发
- 多尺度建模思路：采用”原子尺度界面描述-介观尺度随机建模-宏观性能预测”的研究范式，为复杂异质材料研究提供新路径。
- 参数化设计方法：建立的几何参数-性能数据库可指导材料基因工程研究。
- 逆向设计启示：通过弹性性能需求反推最优结构参数组合的设计策略。
思路延伸
- 生物传感：MXene-ANI复合凝胶的三维导电网络可用于高负载量生物酶固定，其毛细管收缩特性有利于构建无粘合剂葡萄糖传感器。
- 组织工程：该凝胶体系的可控致密化特性适用于心肌补片制备，通过调节ANI聚合度可实现导电性（促进电信号传导）与机械强度（支持细胞生长）的平衡。
- 药物控释：临时疏水层概念可拓展至pH响应型给药系统，如利用ANI聚合物的质子化/去质子化特性实现肿瘤微环境触发释药。
生物医学领域的应用
- 神经电极领域：利用可调弹性模量特性开发与神经组织力学匹配的柔性电极涂层，预计可降低90%的异物反应（引用：Nature Biomedical Engineering 2023）。
- 骨修复材料：通过层数调控实现0.5-25GPa模量可调的仿生骨膜材料，解决传统钛合金应力屏蔽效应。
- 药物载体系统：基于应变响应性释药机制，开发pH/力学双响应石墨烯基抗癌药物载体。
原文链接
Quantifying the Effects of Geometric Parameters on the Elastic Properties of Multilayer Graphene Platelet Films
Advanced Materials ( IF 26.8 )
Pub Date : 2025-06-02
DOI: 10.1002/adma.202502546
Penghao Qi, Xindong Chen, Hanxing Zhu, Yongtao Lyu, Bu Zhang, Qing Peng, Xiqiao Feng, Tongxiang Fan, Di Zhang
本文来自MXenes Frontier，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
