羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)在一次利用各種高分子薄膜制備LIG應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)研究中，偶然發(fā)現(xiàn)多孔聚酰亞胺纖維聚合薄膜（PI紙）相較于其它高分子基材可以制備出表面平整度與導(dǎo)電性大幅提升的LIG結(jié)構(gòu)。于是羅教授由此產(chǎn)生靈感，開始指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)探索及驗(yàn)證在大尺度加工條件下，如何整體將PI紙轉(zhuǎn)化為LIG結(jié)構(gòu)，并使之保持高平整度與導(dǎo)電性的同時(shí)，具備良好的力學(xué)穩(wěn)定性。
近日，機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)成功利用先進(jìn)激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG）制備出無基質(zhì)的大尺寸石墨烯紙，其最新研究成果被著名雜志《Small》(IF: 9.598, Q1)與《Carbon》（IF:7.082，Q1）先后在線刊登。
石墨烯紙的優(yōu)勢與制備方法
近年來，石墨烯成為科學(xué)界研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。其中，作為自支撐宏觀二維材料的石墨烯紙（Graphene Paper, GP）具有超輕、超薄、高強(qiáng)、高導(dǎo)電導(dǎo)熱的特性，在柔性電子、智能結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能器件、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，傳統(tǒng)GP的制備主要依賴于液相組裝法，其原料昂貴、工藝繁瑣、加工效率低，不利于大規(guī)模制備與應(yīng)用。
為了解決這一問題，2014年，美國萊斯大學(xué)著名化學(xué)學(xué)家James Tour提出了先進(jìn)激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG），不僅大幅度降低了生產(chǎn)成本，還使柔性石墨烯器件的制備變得簡單高效。
然而利用先進(jìn)LIG技術(shù)制備無基質(zhì)大尺寸石墨烯紙的研究及方法一直未被提出，也一定程度限制了LIG技術(shù)與器件的應(yīng)用。羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)以此為契機(jī)，開展了一系列研究，尋找可行性制造方法。
從微小的結(jié)果差異中尋求靈感
羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)在一次利用各種高分子薄膜制備LIG應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)研究中，偶然發(fā)現(xiàn)多孔聚酰亞胺纖維聚合薄膜（PI紙）相較于其它高分子基材可以制備出表面平整度與導(dǎo)電性大幅提升的LIG結(jié)構(gòu)。于是羅教授由此產(chǎn)生靈感，開始指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)探索及驗(yàn)證在大尺度加工條件下，如何整體將PI紙轉(zhuǎn)化為LIG結(jié)構(gòu)，并使之保持高平整度與導(dǎo)電性的同時(shí)，具備良好的力學(xué)穩(wěn)定性。
最終，羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)成功利用先進(jìn)LIG技術(shù)制備出了不依賴于基體支撐的大尺寸石墨烯紙。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，PI紙具有的特殊多孔層狀纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可均勻吸收CO2激光輻照的能量，并大幅度抑制石墨化過程引發(fā)的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力集中、松質(zhì)、破損、失焦等加工難題，因此確保了GP材料的連續(xù)大尺寸加工。
目前制備出的單張GP材料的最大面積為1400cm2，已達(dá)到現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室級(jí)石墨烯紙制備的最大尺寸之一。此外，該GP材料所具備的柔性與韌性保障其可通過激光二次加工實(shí)現(xiàn)各種多尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并可以和樹脂、硅膠等先進(jìn)工業(yè)材料進(jìn)行進(jìn)一步的一體化融合制造。
圖1. 石墨烯紙的先進(jìn)激光連續(xù)制造及多模式形態(tài)加工
通過系統(tǒng)的加工結(jié)構(gòu)性能關(guān)系探索研究，該先進(jìn)激光誘導(dǎo)GP材料具備優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、電化學(xué)等特性，可用于可穿戴手勢識(shí)別、機(jī)器人動(dòng)作捕捉、油水分離、抗菌界面以及實(shí)現(xiàn)具有阻燃、防/除冰、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等功能的先進(jìn)航空樹脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，未來具有廣闊的商業(yè)化前景。
圖2. 激光誘導(dǎo)石墨烯紙的可調(diào)控結(jié)構(gòu)、性能及多功能應(yīng)用
對(duì)未來的展望與寄語
對(duì)于未來的研究，羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)在激光誘導(dǎo)石墨烯紙方向上進(jìn)行探索，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，深入挖掘這一結(jié)合數(shù)字化可控制造與前沿納米材料的先進(jìn)技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也將繼續(xù)深入研究石墨烯紙的高通量連續(xù)卷對(duì)卷制造，探尋其商業(yè)化前景，創(chuàng)造更多的價(jià)值。
“在做科研的過程中，計(jì)劃通常趕不上變化，最初的設(shè)想可能和過程中的結(jié)果千差萬別。但正是這個(gè)千差萬別的結(jié)果，可能又會(huì)激發(fā)出更新的想法?！痹诓稍L的最后，羅斯達(dá)教授說道。在進(jìn)行科研的過程中，每一個(gè)看似異常的結(jié)果都可能成為一個(gè)新的突破點(diǎn)，因此一定要重視每一個(gè)結(jié)果。此外，羅斯達(dá)教授還告訴我們一定要放眼世界，實(shí)時(shí)跟蹤前沿發(fā)展現(xiàn)狀。一旦有了可借鑒的新想法，就能站在巨人的肩膀上，對(duì)未來的研究迭代出更明確的思路。
結(jié)語
羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)提出的低成本大面積制備激光誘導(dǎo)石墨烯紙技術(shù)、可為宏觀石墨烯材料與結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備，以及商業(yè)應(yīng)用帶來一定的指導(dǎo)性思路與科學(xué)意義。對(duì)于未來的研究，羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)還將繼續(xù)在激光誘導(dǎo)石墨烯紙方向上進(jìn)行探索，深入挖掘這一結(jié)合數(shù)字化可控制造與前沿納米材料的先進(jìn)技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也將繼續(xù)深入研究石墨烯紙的高通量連續(xù)卷對(duì)卷制造，探尋其商業(yè)化前景，創(chuàng)造更多的價(jià)值。我們也期待他們能在該領(lǐng)域取得更大的突破和成就。
該研究分別獲得國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、國家商用飛機(jī)制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金及航空科學(xué)基金的支持。
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