就轻质材料的高强度和韧性来说，石墨烯可能算得上王牌。然而，对于最需求这些性能的应用，如航空航天、自动化、基础设施和交通运输，使用石墨烯仍然是太贵和不切实际的。现在，由Markus Buehler领导的麻省理工学院的研究人员通过实验和模拟来设计一种基于氧化石墨烯的复合材料，这种材料针对强度和韧性进行了优化，并展示了湿度如何改善这些性能。

水对层间距的影响。(a)不同含水量的GO和GO-PDA型号的快照。 为清楚起见，PDA(DHI单位)显示为橙色，水分子以蓝色显示。(b)不同含水率GO和GO-PDA的层间距(c)GO和GO-PDA论文的扫描电子显微镜图像。比例尺表示500nm。
人造材料可以是坚硬的或强韧的，但迄今为止，为使两种属性结合的尝试仍在艰难进行。作为麻省理工学院Francisco Martin-Martinez团队的一名研究人员，告诉nanotechweb.org，“氧化石墨烯(GO)可能比石墨烯更容易制造，但它的这些性能更弱。将2D GO图纸组装成可以覆盖厘米而不仅是微米的薄膜 - “GO纸” - 使强度仍然进一步受损。
Martin-Martinez说：“这是聚多巴胺(PDA)进入这个游戏的地方，”它描述了聚合物如何受到贻贝螺纹粘附性能的启发。考虑到在潮汐冲击的冲击下，顽固的贻贝如何与岩石和其他海岸建筑结合，很容易看出为什么这些软体动物的粘合强度可能会刺激了团队理念。
Martin-Martinez补充说：“此外，我们也受到珍珠层(珍珠母)的结构的启发，其类似于砖和砂浆的配置，具有出色的机械性能。” “因此，由从自然系统中获得的大量灵感，我们设计了一个珍珠母启发式GO-(贻贝灵感)PDA纳米复合材料，其确实具有比原始的GO薄膜更好的机械性能。”
虽然其他组织已研究了PDA复合材料，但以前的工作已经被限于实验。正如报告的第一作者陈俊德所指出的那样，对于PDA的聚合机理和PDA与GO之间的化学反应的聚合机理已经取代了以前的系统建模尝试。麻省理工学院的研究人员能够围绕这一点创建分子模型，然后从实验和材料表征反馈到模型中。
Martin-Martinez说：“这代表了一种先进的预测工具，这通过减少将原子设计纳入制造过程所需的实验次数使材料的生产更有效率。
从模型到粘合机理
研究人员确定了5,6-二羟基吲哚(DHI)的最具反应活性的位置，且PDA从GO和多巴胺的溶液中自聚合或与GO反应时在这里形成共价键。然后他们使用PDA的基本建块简化了该聚合过程的模型。
通过将不同浓度的水引入到他们的模型，研究人员可以确定湿度对GO层和层间间距之间氢键相互作用的影响。他们还确定了由于片材上的应力不均匀导致的GO-PDA纳米复合材料的湿度驱动收缩机理。他们研究了使用这些模型相邻层被拉向相反方向的纳米复合材料的强度，与GO相比，GO-PDA纳米复合材料具有优异的韧性以及随湿度增加而增加的强度。
结果与以前的假设对比，这表明这些复合材料的强度主要源于共价交联。 Buehler及其团队使用的模型不包括这些共价交联，而GO-PDA在模拟中的粘合强度仍然超过GO，通过实验进行了较好的比较，表明共价交联对材料的机械强度造成了可忽略的影响。
“自下而上的设计”未来潜力
研究人员承认模型中的某些限制，但仍然对基于模拟和实验的“自下而上设计”方法的广泛应用充满信心。陈说“从模拟过程中，即使我们在模拟中无法获得实际的强度和模拟的韧性，我们仍可以知道哪种材料设计产生更高的机械性能”。就像在GO-PDA中一样，可能还有许多其他材料的湿度在机械性能方面湿度起着至关重要的作用。
没有参与麻省理工学院团队最近的工作，但是在奥斯汀的德克萨斯大学的研究也专注于石墨烯复合材料的Rodney Ruoff说“作者报告说，与其他珍珠母模拟物相比，这种材料具有更高的机械强度和韧性，而且他们的模型未来可能会有改进，”，“如果看到能够在未来可以实现由湿度折叠控制的自折叠结构将是非常有趣的。”
未来的工作将重点是改进PDA的模式，探索其他生物启发材料，继续开展更现实的模型，以及其合成策略来改进实验方面。