高超课题组science：氧化石墨烯纤维可逆融合和分裂

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北京时间5月7日，这项成果被国际顶级期刊《科学》刊登。论文第一作者为浙江大学高分子系的博士生畅丹，论文共同通讯作者为浙江大学高超教授、李拯博士，西安交通大学刘益伦教授。
       作者提出一个溶剂触发的拓扑调控策略来实现可逆的融合和裂变。选择氧化石墨烯纤维作为模型是因为氧化石墨烯片的性质，包括二维(2D)拓扑、丰富的化学部分、超柔性和自粘附能力。溶胀后，湿法纺丝的氧化石墨烯纤维具有限制内部氧化石墨烯片运动的外壳(最外层表皮)，并显示出溶剂引发的大体积变化和弹性变形能力。在水和极性有机溶剂的刺激下，纤维壳的形貌通过膨胀和去膨胀在褶皱的管状状态和展开的圆柱形态之间可逆地转换，从而导致瞬时纤维界面并导致任意数量的GO纤维的周期性自融合和自分裂。在每个循环中，纤维的数量、大小、成分、结构和性质在裂变后被恢复，表现出融合和裂变的精确可逆性。

        GO作为一种新型的软材料具有二维拓扑、丰富的含氧官能团、超柔韧、自粘接等特性。由GO液晶水溶液通过湿法纺丝制得连续达米级的GO纤维，其典型的纤维直径为12μm，约为头发丝的七分之一。在水等溶剂的作用下，GO纤维可发生显著的吸湿溶胀及干燥收缩，其体积膨胀率最高可达40倍。利用多根纤维在溶胀及收缩过程中的自适应形变，实现了精确可逆融合与分裂。这一过程中，GO纤维具有皮肤一样的较致密的壳层结构维持了单根组装纤维的完整性，保证了融合与分裂的可逆性。在每个融合-分裂循环后，GO纤维的数量、尺寸、组成、结构和性能可以恢复至循环前的原始状态。有趣的是，与高分子等其他种类的纤维相比，融合GO纤维的力学拉伸强度随着直径的增加（如从23μm增大到78μm）不会明显下降，基本稳定在287MPa，这打破了经典的纤维强度与直径成反比的Griffith理论。100根融合的GO纤维在热还原后直径为58μm，力学拉伸强度高达597MPa。因此这种融合组装方法有利于制备大直径高性能结构材料。可逆的融合-分裂特性还可以通过GO涂层拓展到各种传统的纤维材料上，如尼龙、蚕丝、不锈钢丝、玻璃纤维等。同时这种性质还被用来制备新型的具有动态转变能力的组装结构。如在一根致密的融合纤维与一张柔性的节点融合纤维网之间可逆转化，在纤维与多种复杂的纤维基组装结构间可逆转换等，并开发出对多种客体的可控释放等进一步的应用。因此，该研究真正实现了宏观组装体的可强化、可解离、可重组、可应用的动态多维特性。
       原文链接：http://science.sciencemag.org/content/sci/372/6542/614.full


      文章来源：高超教授课题组
      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。
       刘益伦，西安交通大学航天航空学院工程力学系研究员，西安交通大学青年拔尖人才支持计划入选者。2005年清华大学航天航空学院本科；2011年清华大学航天航空学院博士；2011~2013年在美国哥伦比亚大学从事博士后研究。2013-2015年于西安交通大学国际应用力学中心副教授。