在保证轻质材料的高强度和韧性方面，石墨烯是可以胜任的。然而，在最需要这些性能的应用领域，如航空航天、自动化、基础设施和运输，使用石墨烯的成本仍太高且不切实际。
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石墨烯氧化物的复合材料，针对石墨烯氧化物的强度和韧性进行了优化，并展示了湿度如何提高这些性能。
水对层间距的影响
Martin-Martinez说：“聚多巴胺（PDA）是一个关于聚合物如何受到贻贝线程粘附性能的启发的例子。” 考虑到在潮汐的冲击下，顽固的贻贝如何实现与岩石和其他海岸建筑的结合，我们就很容易看出为什么这些软体动物的粘合强度启发了该团队的想法。
Martin-Martinez补充说：“此外，我们也受到珍珠母的结构的启发，其类似于实体结构，具有良好的力学性能。因此，我们设计了一种类似珍珠的GO-PDA纳米复合材料，其的确具有比原始GO薄膜更好的机械性能。”
虽然其他团队也研究了PDA复合材料，但以前的工作仅限于实验。正如本次工作报告的第一作者Chun-Teh Chen所指出的那样，对于PDA的聚合机制以及PDA和GO之间的化学反应的含糊之处已经阻碍了以前对该系统建模的尝试。
麻省理工学院的研究人员能够围绕这一点创建分子模型，然后由实验和材料特性反馈到模型中。Martin-Martinez说：“这代表了一种先进的预测工具，使材料的生产更有效率，减少了将原子设计转化为制造过程所需的实验数量。
从模型到粘合机制
研究人员确定了5,6-二羟基吲哚（DHI）的反应活性最高的位置，其形成共价键，因为PDA可以从GO和多巴胺溶液中自我聚合，以及与GO反应。然后，他们使用PDA的基本构建简化了该聚合过程的模型。
通过将不同浓度的水引入到模型中，研究人员可以确定湿度对GO层之间的氢键相互作用和层间距的影响。他们还确定了由于片材上的不均匀应力引发了GO-PDA纳米复合材料的湿度驱动收缩机理。
通过使用这些模型，他们研究了纳米复合材料的强度，相邻层被拉向相反方向的时，强度随湿度增加，且与GO相比，GO-PDA纳米复合材料具有极高的强度。这一结果与以前的假设相反，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，并与实验进行了较好的比较，表明共价交联对材料的机械强度影响不大。
“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，但对于基于模拟和实验的“自下而上设计”方法的更广泛应用仍然很有信心。
Chen说：“从模拟中，我们可以知道哪种材料设计能产生更高的力学性能，即使我们不能在模拟中获得其实际的强度和韧性。”
还有可能许多其他材料，其中湿度在力学性能方面起着至关重要的作用，就像在GO-PDA中一样。
Rodney Ruoff没有参与麻省理工学院团队最近的工作，但他在德克萨斯大学奥斯汀分校的研究也是关于石墨烯复合材料。他说：“该作者汇报与其他珍珠母模拟物相比实现了更高的机械强度和韧性，而且他们的模型点还有待改进。如果能够在未来得到由湿度控制的自折叠结构，那将非常具有建设意义。”
未来的工作聚焦于改进PDA模式，探索其他生物启发材料，继续研究更实际的模型，以及其他综合策略来改进实验方面。