再力花带来灵感，浙大团队制备高强度高弹性石墨烯气凝胶
再力花带来灵感，浙大团队制备高强度高弹性石墨烯气凝胶
2017-08-02气凝胶作为一种多孔结构的新型材料，具有超低密度、超低导热及高能量吸收的性质，在保温材料、隔音材料、污染控制和催化剂载体等方面有着广泛的应用，而碳气凝胶尤其是石墨烯气凝胶更是具有光明的应用前景。然而，这些应用往往需要石墨烯气凝胶同时具备高强度和高弹性，这种“鱼和熊掌兼得”的要求对科学家们提出了不小的挑战。尽管目前也发展出一些技术试图解决这一问题，如3D打印、化学气相沉积、水热法及冷冻干燥法等，但能真正制备出高度有序结构得到高强度和高弹性石墨烯气凝胶的成功者寥寥无几。
再力花（Thalia dealbata）也称水竹芋、水莲蕉，作为一种水生植物，可能并不为人所熟知。最近，浙江大学的谢涛教授（点击查看介绍）和柏浩教授（点击查看介绍）等研究人员受轻质、高强度、高弹性的再力花茎干的启发，模仿其3D层层互连结构，采用双向冷冻技术以冰为模板将氧化石墨烯组装成类似结构，再经过冷冻干燥和热还原得到了具有高度有序3D结构的石墨烯气凝胶。这种仿生石墨烯气凝胶同时具有高强度和高回弹能力。相关成果发表于ACS Nano 杂志上，杨苗和赵昵芳为共同第一作者，柏浩教授为通讯作者。
作为观赏植物的再力花。图片来自网络
再力花的茎干通常有2米高，仅6-10毫米厚，具有足够的强度和弹性，能让植株在频繁刮风的环境中生存。研究人员发现，再力花茎干中具有3D层层互连结构。受此启发，研究人员采用双向冷冻技术，首先使冰晶成核，再使其沿垂直和水平两个方向的温度梯度进行生长，氧化石墨烯片层在两个方向上平行组装，形成类似再力花茎干的3D微结构，随后经过冷冻干燥和热还原得到仿生石墨烯气凝胶。通过电镜表征，这种石墨烯气凝胶片层的厚度为1-5 μm，连接桥的长度为10-30 μm，且内部含有许多大孔。
再力花茎干结构与仿生结构的石墨烯气凝胶。图片来源：ACS Nano
接着，研究人员对其强度与弹性进行了测试，发现它能承受超过其自身重量6000倍的压力，尽管会被压缩到原大小的一半，但外力一旦消失这种石墨烯气凝胶就能完全恢复原状。在压缩1000次以上之后，它仍能保持初始强度的85%。相比而言，那些具有随机孔结构的石墨烯气凝胶在10次压缩后，强度损失就超过了一半。
仿生石墨烯气凝胶同时具有高强度与高弹性。图片来源：ACS Nano
最后，研究人员进一步测试了仿生石墨烯气凝胶的电导率随压缩程度的变化。研究表明，无压缩的最高电阻值约为1000 Ω，而压缩至50％时的最低电阻约为10 Ω以下。这与预期相符，对石墨烯气凝胶的压缩提高了电导率，也充分显示了它在传感器及柔性电子设备中的应用潜力。
仿生结构的石墨烯气凝胶的压缩状态电导率测试。图片来源：ACS Nano
图片来源：ACS Nano
C&EN 也对这一研究进行了报道。[1]华盛顿大学的Peter Pauzauskie教授表示，如果使用其他方法，“这种具有精细结构的石墨烯气凝胶造价非常昂贵，而且难以成功制备”，而这项研究给人们提供了一种低成本且可扩展的制备方法。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Biomimetic Architectured Graphene Aerogel with Exceptional Strength and Resilience
ACS Nano, 2017, 11, 6817-6824, DOI: 10.1021/acsnano.7b01815
导师介绍
谢涛
http://www.x-mol.com/university/faculty/21698
柏浩
http://www.x-mol.com/university/faculty/21700
参考资料：
1. http://cen.acs.org/articles/95/web/2017/07/Plants-inspire-exceptionally-strong-elastic.html
（本文由冰供稿）
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