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    仿生應用:新型超強韌石墨烯材料誕生

    2018-06-15

    導語:

    2018年5月7日,《美國科學院院刊》在線刊登了我?;瘜W學院程群峰教授、江雷院士團隊及其合作者的最新研究成果“有序交聯的超強韌高導電石墨烯薄膜(Sequentiallybridgedgraphene sheets with high strength, toughness, and electricalconductivity)”,程群峰教授和生物醫學工程高精尖中心首席科學家美國工程院院士RayH. Baughman教授為共同通訊作者,北航2014級直博生萬思杰為第一作者。  

    背景:材料應用新紀元

    2004年,英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制成了世界上最薄、強度最高的材料石墨烯。6年后,兩位科學家因在石墨烯研究方面的卓越成就而被授予諾貝爾物理學獎,進一步將石墨烯推向了科學界研究的熱點領域。

    自2010年起,程群峰教授及課題組便將研究目光匯聚于此,立足院校特色,引領學術前沿,產生了將這種輕質高強的新材料應用于航天領域的構想。他們認為,新型石墨烯材料研究前景廣闊,能夠滿足下一代無人機、小型機對材料性能的需求,是具有長足戰略眼光的研究選擇。

    此后,程群峰教授課題組長期致力于仿生多功能石墨烯納米復合材料的研究,取得了一系列原創性研究成果。傳統碳纖維復合材料的制備需要高溫高壓,但新材料可在45℃以下的室溫進行組裝構筑,其強度與碳纖維復合材料相當,成本更加低廉,易實現商業規?;苽?。  

    仿生:天然貝類的啟發

    大自然是最為精妙而富有想象力的工程師,它構筑的生命體結構可以為人們創造新型材料提供諸多靈感。在眾多可用于仿生的結構中,鮑魚殼因其獨特的結構和優異的力學性能引起了程教授課題組的注意。自然界的鮑魚殼五顏六色,是由于其層狀有序的結構——無機碳酸鈣和有機蛋白質以層層交替的形式組裝成為了一個整體。這種微納米多級層狀結構不僅賦予了鮑魚殼美麗的外觀,還賦予了鮑魚殼優異的力學性能,在具有很高力學強度的同時也大幅度提高了斷裂韌性,實現了力學強度和韌性的完美統一。

    受鮑魚殼有機—無機層層微納米組裝結構的啟發,程群峰教授課題組采用氧化石墨烯與有機分子構筑了層狀結構的復合材料。采用化學方法處理天然礦物石墨粉,即可獲得氧化石墨烯,成本相當低廉。

    在前期仿生界面組裝的研究基礎上,程群峰教授課題組進一步開發了室溫π-π共軛鍵和共價鍵有序交聯策略,為制備高性能石墨烯納米復合材料提供了重要的理論指導。更重要的是,該石墨烯復合薄膜不僅拉伸強度可以與成本較高的準各項同性的商用碳纖維復合材料相媲美,而且韌性遠遠優于后者。同時,這種小分子有序交聯的石墨烯復合薄膜還具有高導電性能,高電磁屏蔽性能以及優異的抗腐蝕性能和疲勞性能。這種廉價低溫有序交聯的高性能多功能石墨烯納米復合材料在航空、航天、汽車、柔性電子器件等領域具有廣泛的應用前景。

    圖1. 有序交聯石墨烯薄膜的制備過程(A-B)及照片(C)和橫截斷面微觀形貌(D-E)

    圖2. 有序交聯石墨烯薄膜的力學(A)和電磁屏蔽效能(B),以及原位拉曼光譜表征(C-F)

    拓展:深度探究與合作

    在談到研究取得的成果時,程群峰教授強調了團隊合作的重要性。他認為,團隊的活力和創造力,基于每一名成員自發主動的貢獻;團隊的凝聚力和動力,則依賴師生之間的良好互動和默契配合。課題組的同學們在老師的指導下明確分工,在保證各自獨立的情況下又積極溝通交流,齊頭并進,形成了良好的合作機制,向著共同的研究方向不斷努力。程教授表示,學術研究的過程就像采掘寶石,只有不斷深入,不斷挖掘,才能得到收獲。因此,在確立科研方向后,刻苦鉆研、甘于奉獻的科研精神也是科研人員不可缺少的素質。

    下一階段,程教授將帶領課題組深入研究,從宏觀的平均層面轉至單層微觀層面,進一步闡釋仿生復合材料界面的增強增韌機理。同時,進行大量實驗驗證,尋找新的突破,繼續著力提高新型薄膜材料的性能,并將成果轉化為實際應用。

    圖3.  實驗室一覽

    圖4.  程群峰教授(中)和他的團隊(部分)

    結語:

    新的技術和方法往往能帶動相關產業的革新,超強韌高導電石墨烯薄膜可在室溫條件下以較低成本制備,有望最終取代飛機、汽車等設備使用的碳纖維復合材料,并且可以廣泛應用于柔性電子器件等領域,市場潛力巨大。雖然已經取得了一定成果,但程群峰教授及課題組的研究不會止步于此。在北航建設世界一流大學的征程中,我們也期待有更多創新人才的涌現。  

     

    文案:金睿、曾嘉琪

    采訪:曾嘉琪、熊婷

    設計:楊智涵

    編審:北航門戶網站總編總監工作室

    投稿:geoos@buaa.edu.cn

     



    審核:審核人參數配置未打開 編輯:曹嘉輝

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