眾所周知，將(jiang)磚(zhuan)塊(kuai)壘砌(qi)可(ke)(ke)以(yi)成墻(qiang)(qiang)，進而建造成各式各樣的(de)(de)建筑。如今，石墨烯(xi)氣(qi)凝膠也(ye)可(ke)(ke)以(yi)像“砌(qi)墻(qiang)(qiang)”一樣進行宏(hong)觀組(zu)裝了。石墨烯(xi)氣(qi)凝膠是由二維(wei)石墨烯(xi)構(gou)成的(de)(de)一種超(chao)輕泡沫材料，具有超(chao)高的(de)(de)孔隙率和優異的(de)(de)壓縮回彈(dan)性(xing)，可(ke)(ke)導(dao)電、吸音、耐高低(di)溫、阻燃隔熱(re)，在(zai)能源、環境、催化(hua)、傳感等領域具有巨(ju)大的(de)(de)應(ying)用前景。

最近，曲良體(ti)課題(ti)組(zu)發明了(le)(le)一(yi)種(zhong)氣(qi)泡-冰(bing)晶雙模板輔助溶膠-凝(ning)(ning)(ning)膠法(fa)，成功制(zhi)備(bei)了(le)(le)一(yi)種(zhong)具有(you)優異(yi)塑性變形能力(li)的(de)(de)(de)石墨(mo)(mo)烯水凝(ning)(ning)(ning)膠，并(bing)且該(gai)水凝(ning)(ning)(ning)膠可以常(chang)壓(ya)干燥(zao)得到氣(qi)凝(ning)(ning)(ning)膠。研究者發現，將多個這種(zhong)水凝(ning)(ning)(ning)膠“磚”在濕態下壓(ya)縮(suo)組(zu)裝，彼(bi)此間(jian)緊密排(pai)列，自然晾干后即可得到一(yi)體(ti)化(hua)的(de)(de)(de)石墨(mo)(mo)烯氣(qi)凝(ning)(ning)(ning)膠“墻”甚至(zhi)“房子”，不(bu)(bu)會變形收(shou)縮(suo)。并(bing)且，通過(guo)增(zeng)大(da)壓(ya)縮(suo)程度(du)(du)，可以顯著提高(gao)(gao)該(gai)材料的(de)(de)(de)極限壓(ya)縮(suo)強度(du)(du)，最高(gao)(gao)可達(da)47Mpa，而壓(ya)縮(suo)回彈(dan)性幾乎不(bu)(bu)會損失(shi)，可恢復應(ying)變高(gao)(gao)達(da)97%，解決了(le)(le)高(gao)(gao)強度(du)(du)和超彈(dan)性不(bu)(bu)能兼(jian)備(bei)的(de)(de)(de)問題(ti)。該(gai)方法(fa)具有(you)很高(gao)(gao)的(de)(de)(de)靈活(huo)性，通過(guo)控(kong)制(zhi)壓(ya)縮(suo)程度(du)(du)即可調控(kong)氣(qi)凝(ning)(ning)(ning)膠材料的(de)(de)(de)多種(zhong)性質，解決了(le)(le)該(gai)材料難以大(da)面積(ji)制(zhi)備(bei)的(de)(de)(de)關鍵問題(ti)，有(you)望實現石墨(mo)(mo)烯氣(qi)凝(ning)(ning)(ning)膠在建筑、交通工(gong)具、航空航天等領域的(de)(de)(de)廣(guang)泛應(ying)用(yong)。該(gai)工(gong)作(zuo)以題(ti)為“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infnite Macroscale”發表在國際重要期刊《Advanced Functional Materials》上，第一(yi)作(zuo)者為北京理工(gong)大(da)學博(bo)士(shi)研究生(sheng)楊洪(hong)生(sheng)。

圖b?為石墨烯水凝膠“磚”壓縮組裝、常壓干燥制備氣凝膠“墻”的過程。圖e?為搭建的一體化石墨烯氣凝膠“房子”。

圖c?為超彈性、可常壓干燥石墨烯水凝膠的制備過程及原理。圖d-f?為該水凝膠壓縮前后的宏觀照片及微觀結構。

如(ru)上圖(tu)c所示(shi)，氧(yang)化石(shi)墨烯溶(rong)液(ye)中加入表面活性劑(ji)快速攪拌，引入了(le)(le)大(da)量的(de)微米氣泡(pao)，促使(shi)氧(yang)化石(shi)墨烯以(yi)該氣泡(pao)為模(mo)板(ban)進(jin)行自組裝，獲得(de)了(le)(le)各向(xiang)同性的(de)類球(qiu)形大(da)尺(chi)(chi)寸泡(pao)孔(kong)；再(zai)通(tong)過(guo)引入一步冷凍-融化過(guo)程，利(li)用(yong)冰晶對閉合(he)的(de)泡(pao)孔(kong)進(jin)行打洞(dong)，使(shi)形成相互(hu)連通(tong)的(de)孔(kong)道，有利(li)于內部的(de)氣泡(pao)和溶(rong)液(ye)擠(ji)出，如(ru)上圖(tu)e；最終得(de)到了(le)(le)各向(xiang)同性且(qie)相互(hu)連通(tong)的(de)大(da)尺(chi)(chi)寸泡(pao)孔(kong)結(jie)構(gou)，如(ru)上圖(tu)d。正是這種精心設計的(de)微觀結(jie)構(gou)賦予了(le)(le)該水凝膠優(you)異的(de)塑(su)性變形能(neng)力(li)和可常壓干燥(zao)能(neng)力(li)。

圖a揭示了組裝過程中水凝膠之間界面的演變過程。圖b為組裝氣凝膠界面的掃描電鏡照片。

如上圖(tu)所示(shi)，研究(jiu)者(zhe)發現，通過壓(ya)縮(suo)可(ke)以使(shi)水凝膠之間(jian)的(de)界面變(bian)得緊(jin)密，并且常壓(ya)干燥過程中，毛細收縮(suo)力會(hui)進一步壓(ya)緊(jin)界面，使(shi)石墨烯(xi)片層之間(jian)緊(jin)密排列，產生了(le)較(jiao)強的(de)π-π相互作用，氣凝膠之間(jian)形成很強的(de)結合(he)力，成為了(le)一個(ge)整(zheng)體。

圖a?表明阻燃劑改性的組裝氣凝膠具有優異的阻燃隔熱能力，可以保護紙飛機不燃燒達10分鐘。圖c，圖d表明了組裝氣凝膠具有很好的回彈性和強度。

圖a-i表明通過控制壓縮程度，即可在較寬的范圍內相對精確地調控氣凝膠材料的多種性質，包括壓縮強度、平均孔徑、材料密度及導電性。

該組裝氣(qi)凝(ning)膠具有突出(chu)的阻燃隔熱(re)能力，優(you)異的壓縮(suo)回彈性，可控的壓縮(suo)強度、密度、導電(dian)性。該工作最(zui)大(da)的意義(yi)是，使多功能的石墨烯氣(qi)凝(ning)膠具有了不限(xian)的宏觀(guan)尺寸(cun)、多樣的宏觀(guan)結構、豐富的性能選擇(ze)，并且方法簡單、高效(xiao)，有望(wang)實現(xian)石墨烯氣(qi)凝(ning)膠材(cai)料(liao)的大(da)規模應用。

參考文獻：

Yang,H.; Li, Z.; Sun, G.; Jin, X.; Lu, B.; Zhang, P.; Lin, T.; Qu, L., Adv. Funct.Mater. 2019, 1901917.

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