清華大學(xué)成會明院士、丘陵副教授：3D打印模板引導(dǎo)組裝超輕石墨烯多級結(jié)構(gòu)

來源：化學(xué)與材料科學(xué)

億萬年的進化賦予了天然生物材料（如骨骼、樹木）極其精妙的多級、多尺度結(jié)構(gòu)。得益于此，即使其基本構(gòu)筑單元的種類有限且性能平平，此類生物材料仍表現(xiàn)出一系列優(yōu)異性能和復(fù)雜功能，因此也成為科研界開發(fā)具有卓越性能及功能的先進材料的靈感來源。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，研究人員已通過自組裝、模板導(dǎo)向及3D打印等方法制備出了多種具有多級結(jié)構(gòu)的仿生材料。然而，對于多級結(jié)構(gòu)的控制往往局限于宏觀或微觀尺度范圍內(nèi)，而涵蓋納米到宏觀尺度的多級結(jié)構(gòu)的可控制備鮮有工具。

近日，清華大學(xué)深圳國際研究生院丘陵副教授與成會明院士課題組在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了題為“3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202105879）。該文章提出了一種基于3D打印模板引導(dǎo)組裝的方法，以石墨烯為基本構(gòu)筑單元，實現(xiàn)了多尺度多級結(jié)構(gòu)的精確制備。該方法結(jié)合了數(shù)字光處理（DLP）3D打印對介觀到宏觀尺度結(jié)構(gòu)的精細定制能力以及石墨烯可控自組裝對納米到微米尺度結(jié)構(gòu)的調(diào)控能力，從而實現(xiàn)了特征尺寸由納米至厘米跨越七個數(shù)量級的多級結(jié)構(gòu)控制。該方法可以拓展到其他二維材料以及陶瓷材料的多級結(jié)構(gòu)的制備，為多尺度可設(shè)計結(jié)構(gòu)的制備提供新思路。

實驗結(jié)果表明，通過對于多級結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，可以賦予三維石墨烯宏觀體一系列優(yōu)異的性質(zhì)。例如，通過不同尺度范圍內(nèi)有序結(jié)構(gòu)的組裝，使制備出的石墨烯結(jié)構(gòu)具有超高模量（高于其他超輕多孔材料10倍以上）及超彈性（可由95%的壓縮應(yīng)變完全恢復(fù)）等優(yōu)異力學(xué)性能。此外，具有高機械強度及精巧設(shè)計的石墨烯結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)破紀(jì)錄的超低密度（低至0.08 mg/cm3,空氣密度的1/15）、超高的有機溶劑吸收能力（可吸收高達自身重量2060倍的氯仿）以及高電導(dǎo)率等特性。

圖1多尺度石墨烯結(jié)構(gòu)的制備流程及高自由度結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 不同尺度下的多級結(jié)構(gòu)特征

圖3可定制的力學(xué)行為：(a,c)高剛度；(b,d)超彈性

圖4 多尺度石墨烯結(jié)構(gòu)的多樣化應(yīng)用：(a-b)超輕高模量材料；(c)超高有機溶劑吸收能力；(d)作為模板實現(xiàn)功能材料的復(fù)雜多級結(jié)構(gòu)制備（左至右：氧化鈦、二硫化鉬/石墨烯、氧化鋁）

原文鏈接
Zhou, J., Wu, X., Chen, Y., Yang, C., Yang, R., Tan, J., Liu, Y., Qiu, L., Cheng, H.-M., 3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures. Adv. Funct. Mater. 2022, 2105879.
https://doi.org/10.1002/adfm.202105879