Self-assembly of aramid amphiphiles into ultra-stable nanoribbons and aligned nanoribbon threads

材料科学 芳纶 光电子学 石墨烯纳米带 纳米技术 复合材料 石墨烯 纤维
作者
Ty Christoff‐Tempesta,Yukio Cho,Dae‐Yoon Kim,Michela Geri,Guillaume Lamour,Andrew J. Lew,Xiaobing Zuo,William R. Lindemann,Julia H. Ortony
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:16 (4): 447-454 被引量:88
标识
DOI:10.1038/s41565-020-00840-w
摘要

Small-molecule self-assembly is an established route for producing high-surface-area nanostructures with readily customizable chemistries and precise molecular organization. However, these structures are fragile, exhibiting molecular exchange, migration and rearrangement-among other dynamic instabilities-and are prone to dissociation upon drying. Here we show a small-molecule platform, the aramid amphiphile, that overcomes these dynamic instabilities by incorporating a Kevlar-inspired domain into the molecular structure. Strong, anisotropic interactions between aramid amphiphiles suppress molecular exchange and elicit spontaneous self-assembly in water to form nanoribbons with lengths of up to 20 micrometres. Individual nanoribbons have a Young's modulus of 1.7 GPa and tensile strength of 1.9 GPa. We exploit this stability to extend small-molecule self-assembly to hierarchically ordered macroscopic materials outside of solvated environments. Through an aqueous shear alignment process, we organize aramid amphiphile nanoribbons into arbitrarily long, flexible threads that support 200 times their weight when dried. Tensile tests of the dry threads provide a benchmark for Young's moduli (between ~400 and 600 MPa) and extensibilities (between ~0.6 and 1.1%) that depend on the counterion chemistry. This bottom-up approach to macroscopic materials could benefit solid-state applications historically inaccessible by self-assembled nanomaterials.
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