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仿生应用:新型超强韧石墨烯材料诞生

导语:

2018年5月7日,《美国科学院院刊》在线刊登了我校化学学院程群峰教授、江雷院士团队及其合作者的最新研究成果“有序交联的超强韧高导电石墨烯薄膜(Sequentiallybridgedgraphene sheets with high strength, toughness, and electricalconductivity)”,程群峰教授和生物医学工程高精尖中心首席科学家美国工程院院士RayH. Baughman教授为共同通讯作者,北航2014级直博生万思杰为第一作者。  

背景:材料应用新纪元

2004年,英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫制成了世界上最薄、强度最高的材料石墨烯。6年后,两位科学家因在石墨烯研究方面的卓越成就而被授予诺贝尔物理学奖,进一步将石墨烯推向了科学界研究的热点领域。

自2010年起,程群峰教授及课题组便将研究目光汇聚于此,立足院校特色,引领学术前沿,产生了将这种轻质高强的新材料应用于航天领域的构想。他们认为,新型石墨烯材料研究前景广阔,能够满足下一代无人机、小型机对材料性能的需求,是具有长足战略眼光的研究选择。

此后,程群峰教授课题组长期致力于仿生多功能石墨烯纳米复合材料的研究,取得了一系列原创性研究成果。传统碳纤维复合材料的制备需要高温高压,但新材料可在45℃以下的室温进行组装构筑,其强度与碳纤维复合材料相当,成本更加低廉,易实现商业规模化制备。  

仿生:天然贝类的启发

大自然是最为精妙而富有想象力的工程师,它构筑的生命体结构可以为人们创造新型材料提供诸多灵感。在众多可用于仿生的结构中,鲍鱼壳因其独特的结构和优异的力学性能引起了程教授课题组的注意。自然界的鲍鱼壳五颜六色,是由于其层状有序的结构——无机碳酸钙和有机蛋白质以层层交替的形式组装成为了一个整体。这种微纳米多级层状结构不仅赋予了鲍鱼壳美丽的外观,还赋予了鲍鱼壳优异的力学性能,在具有很高力学强度的同时也大幅度提高了断裂韧性,实现了力学强度和韧性的完美统一。

受鲍鱼壳有机—无机层层微纳米组装结构的启发,程群峰教授课题组采用氧化石墨烯与有机分子构筑了层状结构的复合材料。采用化学方法处理天然矿物石墨粉,即可获得氧化石墨烯,成本相当低廉。

在前期仿生界面组装的研究基础上,程群峰教授课题组进一步开发了室温π-π共轭键和共价键有序交联策略,为制备高性能石墨烯纳米复合材料提供了重要的理论指导。更重要的是,该石墨烯复合薄膜不仅拉伸强度可以与成本较高的准各项同性的商用碳纤维复合材料相媲美,而且韧性远远优于后者。同时,这种小分子有序交联的石墨烯复合薄膜还具有高导电性能,高电磁屏蔽性能以及优异的抗腐蚀性能和疲劳性能。这种廉价低温有序交联的高性能多功能石墨烯纳米复合材料在航空、航天、汽车、柔性电子器件等领域具有广泛的应用前景。

图1. 有序交联石墨烯薄膜的制备过程(A-B)及照片(C)和横截断面微观形貌(D-E)

图2. 有序交联石墨烯薄膜的力学(A)和电磁屏蔽效能(B),以及原位拉曼光谱表征(C-F)

拓展:深度探究与合作

在谈到研究取得的成果时,程群峰教授强调了团队合作的重要性。他认为,团队的活力和创造力,基于每一名成员自发主动的贡献;团队的凝聚力和动力,则依赖师生之间的良好互动和默契配合。课题组的同学们在老师的指导下明确分工,在保证各自独立的情况下又积极沟通交流,齐头并进,形成了良好的合作机制,向着共同的研究方向不断努力。程教授表示,学术研究的过程就像采掘宝石,只有不断深入,不断挖掘,才能得到收获。因此,在确立科研方向后,刻苦钻研、甘于奉献的科研精神也是科研人员不可缺少的素质。

下一阶段,程教授将带领课题组深入研究,从宏观的平均层面转至单层微观层面,进一步阐释仿生复合材料界面的增强增韧机理。同时,进行大量实验验证,寻找新的突破,继续着力提高新型薄膜材料的性能,并将成果转化为实际应用。

图3.  实验室一览

图4.  程群峰教授(中)和他的团队(部分)

结语:

新的技术和方法往往能带动相关产业的革新,超强韧高导电石墨烯薄膜可在室温条件下以较低成本制备,有望最终取代飞机、汽车等设备使用的碳纤维复合材料,并且可以广泛应用于柔性电子器件等领域,市场潜力巨大。虽然已经取得了一定成果,但程群峰教授及课题组的研究不会止步于此。在北航建设世界一流大学的征程中,我们也期待有更多创新人才的涌现。  

 

文案:金睿、曾嘉琪

采访:曾嘉琪、熊婷

设计:杨智涵

编审:北航门户网站总编总监工作室

投稿:geoos@buaa.edu.cn

 

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