黃嘉興課題組：“剪貼術(shù)”搭建三維氧化石墨烯結(jié)構(gòu)

黃嘉興課題組：“剪貼術(shù)”搭建三維氧化石墨烯結(jié)構(gòu)

如何將一張紙變成立體結(jié)構(gòu)，通常需要三個(gè)基本動(dòng)作：彎曲（彈性形變）、折疊（塑性形變）和粘貼。對(duì)于微觀的納米材料，例如將薄膜組裝成三維結(jié)構(gòu)，也必須要經(jīng)過(guò)這三個(gè)基本操作。目前已有很多的研究，利用折疊和彎曲構(gòu)筑了多樣的三維結(jié)構(gòu)，但由于材料的限制，粘貼操作一直難以實(shí)現(xiàn)。


近日，美國(guó)西北大學(xué)黃嘉興課題組發(fā)現(xiàn)用一滴水就可以實(shí)現(xiàn)氧化石墨烯（GO）基材料的修復(fù)、粘貼、定型及多維結(jié)構(gòu)或器件的搭建。這種快速且不污染樣品的“剪貼術(shù)”，方便了GO基材料的三維組裝及應(yīng)用（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201706229）。

圖1水可以修復(fù)破損的GO膜并恢復(fù)其強(qiáng)度，也可以將其粘貼成更長(zhǎng)或者更厚的膜


只需將水施加在GO膜的破損處（折痕、切痕、斷口），等水揮發(fā)后GO膜便自動(dòng)修復(fù)，并且其機(jī)械性能又恢復(fù)到原始狀態(tài)。黃嘉興課題組在2015年發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有被金屬離子交聯(lián)（污染）的GO膜是易溶于水的（Nature Chemistry 2015, 7, 166）。當(dāng)水滴加在GO膜的“傷口”時(shí)，周?chē)腉O會(huì)重新溶于水，在水揮發(fā)的毛細(xì)作用下重新堆疊排列成完整的膜。利用此原理還可以迅速制備更長(zhǎng)或者更厚的GO膜。

圖2 水可以幫助彈性形變下的GO釋放應(yīng)力，固定其形狀（2倍播放速度）。


此外水還可以起到“定型”的作用，如果在拱起的結(jié)構(gòu)上噴霧使其濕潤(rùn)，等水揮發(fā)后，拱形GO中的應(yīng)力得到有效釋放，即使撤去外力也可保持其拱起的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“啫喱水”的效果。

黃嘉興課題組：“剪貼術(shù)”搭建三維氧化石墨烯結(jié)構(gòu)

圖3 利用“剪貼術(shù)”搭建的各種結(jié)構(gòu)


利用這種剪貼的原理，可以用小張GO薄膜為原料，構(gòu)建豐富多樣的GO結(jié)構(gòu)，例如近一米長(zhǎng)的GO帶，螺旋的GO彈簧。通過(guò)剪貼操作，可以構(gòu)建出那些無(wú)法由折疊和彎曲操作獲得的形狀，例如莫斯比環(huán)，相交的平面等等。通過(guò)釋放應(yīng)力，還可以得到具有復(fù)雜局部扭曲的結(jié)構(gòu)，例如圖3i所示的蝴蝶環(huán)。

黃嘉興課題組：“剪貼術(shù)”搭建三維氧化石墨烯結(jié)構(gòu)

圖4 “剪貼術(shù)”搭建各種GO“柔性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)”


購(gòu)買(mǎi)過(guò)“宜家”家具的人，一定熟知他們的家具裝配圖。“GO剪貼術(shù)”也可以用像組裝家具那樣的方式，將基于GO的零件“裝配”出能被光照驅(qū)動(dòng)的立體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了例如爬行、起立、旋轉(zhuǎn)等動(dòng)作。GO剪貼術(shù)可推動(dòng)柔性動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用。


本文第一作者為清華大學(xué)深圳研究生院到西北大學(xué)交流訪問(wèn)的博士研究生羅沖。


圖為本文的各位學(xué)生作者，分別為Chong Luo（清華大學(xué)赴西北大學(xué)交流訪問(wèn)博士生），Che-Ning Yeh （西北大學(xué)博士生，MRS杰出研究生金獎(jiǎng)獲得者），Jesus M. Lopez Baltazar （加州大學(xué)洛杉磯分校本科生，期間赴西北大學(xué)暑期交流，將于今年秋季起攻讀博士學(xué)位，已被多所名校錄取），Chao-Lin Tsai （西北大學(xué)碩士畢業(yè)，已加入applied materials）。

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