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南京理工大学在石墨烯材料再加工方面取得新进展

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新材料科讯 2021-04-22 19:20

近日,材料领域国际著名期刊《先进材料》(Advanced Materials,IF=27.398)在线发表了南京理工大学化工学院姜炜教授团队郭凡老师的最新研究成果,文章标题为Hydroplastic Micro-molding of Two-dimensional Sheets” (doi:10.1002/adma.202008116)。论文的第一作者为2020年新引进讲师郭凡,南京理工大学化工学院为第一单位。

二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、金属和超导体,并展现出许多不同于三维材料的独特物性。将二维材料组装为其宏观体是制备高性能多功能宏观材料的一种新思路。目前二维材料宏观体的常见制备方法是湿法组装,然而,在向固态材料转变的干燥过程中,宏观材料不可避免地出现显著的各向异性收缩,从而导致组装结构的低尺寸精度问题。这一“加工精度困境”限制了二维宏观组装材料结构的精确控制以及性能进一步提升。

郭凡博士一直致力于石墨烯宏观组装材料结构性能关系研究,围绕上述问题,作者选取氧化石墨烯为实验模型,揭示了二维氧化石墨烯的弹塑性转变特征,总结了二维材料的塑性行为本质,提出了氧化石墨烯宏观组装材料的精密塑化再加工策略,实现了宏观组装材料表面立体结构的精细构筑,进一步提升了材料的宏观性能、拓展了二维宏观材料的应用前景。

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图1.氧化石墨烯膜塑化过程及层间距变化示意图

湿法组装的氧化石墨烯膜通常呈现“强而脆”的力学特性,无法像高分子或金属般进行塑性加工。通过溶剂插层塑化这一策略,氧化石墨烯膜的加工脆性得到显著改善,实现了包括宏观立体结构、图案化和纳米微阵列等表面结构的精细加工。塑化后的氧化石墨烯膜层间距从0.8 nm增加至1.3 nm,层间相互作用急剧衰减,片层的自由运动被激活。在拉伸、弯曲和剪切变形下,均表现出明显的塑性变形行为。塑性变形能力的全面提升使得氧化石墨烯膜的加工精度迈向亚微米尺寸。以双通AAO为模板,可以实现石墨烯管状阵列微压印,所得管直径约为400 nm,相较氧化石墨烯原料尺寸(约10微米)缩小了两个数量级。通过TEM图像可知,氧化石墨烯片层通过卷曲或折叠的构象进入到纳米孔道中,且堆叠程度显著下降。通过表面微结构的精细构筑和含氧官能团的密度调节,可以实现石墨烯宏观膜表面亲疏水性、离子传输速率、吸光率以及光热转化率等性能的提升。

本文的共同通讯作者包括浙江大学高分子系高超教授和许震研究员。该工作得到了南京理工大学自主科研项目(No.30920041106)和技术领域基金的大力支持。

来源:南京理工大学

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