郭凡等：石墨烯材料再加工方面的新进展

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近日，材料领域国际著名期刊《先进材料》（Advanced Materials，IF=27.398）在线发表了我校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)。论文的第一作者为我校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。

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。
       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。


       文章来源：南京理工大学
       高超教授，浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长，浙江省科协第十届委员会常委、委员，浙江大学学术委员会委员。主要从事石墨烯化学与组装等方面的研究。在Nat. Commun.，Adv. Mater.，Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI收录文章170余篇，他引10000余次。共同主编Wiley出版的英文专著1本，为英文专著撰写6个章节，已授权中国发明专利39项，担任Nano-Micro Lett.、《中国科学：化学》、《功能高分子学报》、期刊编委，中国能源学会专家委员会委员。入选国家第二批“万人计划”科技创新领军人才、科技部“创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”、“浙江省151人才工程第一层次培养人员”、“Academician of Asia-Pacific Academy of Materials (APAM)”，获得“钱宝钧纤维奖 青年学者”、国家杰出青年科学基金、“GoldKangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”、“浙江大学十大学术进展”等人才计划或荣誉。
        许震，博士，浙江大学百人计划特聘研究员，博士生导师。2013年9月毕业于浙江大学高分子系获博士学位。2013-2015年在浙江大学高分子系从事博士后研究，2015-2016年在英国剑桥大学石墨烯中心Andrea Ferrari 教授课题组从事博士后研究。2017年加入浙江大学高分子系。主要研究方向是石墨烯液晶、石墨烯纤维及宏观组装材料以及二维材料组装行为。至今共发表文章30多篇，其中一作文章13篇，包括1篇Nature Communications,4篇Advanced Materials，2篇ACS Nano，1篇Account of Chemical Researches 等。文章多次被Nature, Nature News, NPG Asia Materials等学术媒体以及Scientific America, BBC等大众媒体报道，产生了广泛的影响。