改良 COF 分子結構得到靈感，科學家創造比鋼堅固數倍的輕質二維材料

二維材料被公認是地球最強物質之一，但充分利用二維材料的能力也是項艱鉅任務。最近研究人員透過調整共價有機框架材料的分子結構創造出一種新輕質材料，強度是鋼的數倍，且即使堆疊多層也能保持二維特性。

二維材料因卓越的機械屬性備受關注，但當二維材料分層時這些特性往往就會消失，容易限制實際應用，比如僅一個碳原子厚的石墨烯（graphene）原是世上最薄、最堅硬、電阻最小的材料，但當石墨烯鋪疊多層構成石墨，後者再填充木削鉛筆，就變得一點也不結實。

現在，美國萊斯大學與休士頓大學團隊找到一種新方法，透過調整二維聚合物「共價有機框架材料（covalent organic framework，COF）」的分子結構來克服這種障礙。

首先，團隊設計 2 種在結構上具有微小差異的 COF 材料，試圖比較兩者在堆疊多層後的行為，證明就算只是微小的結構差異都能引起截然不同的結果。與多數二維材料一樣，第一個 COF 材料層與層之間的相互作用薄弱，且隨著堆疊層數增加，強度與彈性都隨之降低；第二個結構稍微不同的 COF 材料則表現出強烈的層與層相互作用，且即使堆疊多層也能保持良好機械性能。

研究人員認為，導致兩者差異的原因可能與氫鍵有關，尤其第 2 種 COF 材料強烈的層與層相互作用，是由特殊官能基（functional group）之間明顯增強的氫鍵引起。

接下來，團隊便利用這項發現成功創造出另一種新型輕質材料，不僅強度是鋼的數倍，推疊多層後也能維持二維特性。

新材料潛在應用很多，比如堅固抗斷裂的過濾膜、替換電池陽極材料增加電池容量等。