石墨烯，因其獨(dú)特的性能和廣闊的應(yīng)用前景，被公認(rèn)為二十一世紀(jì)的“革命性材料”和“新材料之王”，儼然成為科學(xué)界研究的熱點(diǎn)。近日，中國北航有團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)鐳射誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)成功研製出了不依賴於基體支撐的大尺寸石墨烯紙。此項(xiàng)最新研究成果先後被著名雜誌《Small》與《Carbon》線上刊登。
石墨烯紙，簡稱GP，作為一種自支撐宏觀二維材料，是基於石墨原料，與聚合物、陶瓷、金屬等材料複合而成的，具有層疊式的結(jié)構(gòu)。它比普通紙張更薄，其宏觀力學(xué)性能比其他紙裝材料相對(duì)來說還要更優(yōu)異，而強(qiáng)度和彈性模量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他材料，在彎曲載荷下有相當(dāng)?shù)娜嵝裕热纾簲嗔褟?qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍；拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。
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簡單來說呢，石墨烯紙具有超輕、超薄、高強(qiáng)、高透光、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱、好韌性等一系列的優(yōu)異特性。除此之外，它還是一種環(huán)保型的材料，是可回收和可持續(xù)製造的。如此以來，其在柔性電子、航空航太、智慧結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)能器件、生物醫(yī)學(xué)、汽車等諸多領(lǐng)域都是具有非常大潛在應(yīng)用價(jià)值的。
但是，傳統(tǒng)石墨烯紙主要是依賴液相組裝法進(jìn)行製備的。這種製備方法呢，原料非常之昂貴、工藝也是相當(dāng)繁瑣、加工效率更是很低，完全不利於大規(guī)模製備與廣泛應(yīng)用。為了解決這個(gè)問題，就在2014年，美國萊斯大學(xué)的著名化學(xué)學(xué)家James Tour提出了先進(jìn)鐳射誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)（簡稱LIG技術(shù)），這種技術(shù)不但能夠大幅度降低生產(chǎn)成本，而且使得柔性石墨烯器件的製備變得簡單又高效了。
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然而，關(guān)於利用先進(jìn)鐳射誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)製備大尺寸石墨烯紙的研究及方法遲遲未被提出，這也在一定程度上限制了鐳射誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)與柔性石墨烯器件的應(yīng)用。以此為鍥機(jī)，北京航空航太大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院羅斯達(dá)教授團(tuán)隊(duì)開展了一系列的研究，最終尋找到了可行性的製造辦法，成功製備出了不依賴於基體支撐的大尺寸石墨烯紙。
目前，該團(tuán)隊(duì)製備出的單張石墨烯紙的最大面積可達(dá)1400cm2，是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室級(jí)石墨烯紙製備的最大尺寸之一了。此外，該材料還具備柔性與韌性，這不但保障了其可通過鐳射二次加工、實(shí)現(xiàn)各種多尺度的複雜結(jié)構(gòu)，還可以與樹脂、矽膠等先進(jìn)工業(yè)材料進(jìn)行進(jìn)一步的一體化融合製造。
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在通過系統(tǒng)的加工結(jié)構(gòu)性能關(guān)係探索研究後發(fā)現(xiàn)，該先進(jìn)鐳射誘導(dǎo)石墨烯紙材料具備優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、電化學(xué)等特殊性能，可用於可穿戴手勢識(shí)別、機(jī)器人動(dòng)作捕捉、油水分離、抗菌介面，除此之外，還能實(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)航空樹脂基複合材料結(jié)構(gòu)。相信這種利用先進(jìn)鐳射誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)製備出的無基質(zhì)大尺寸石墨烯紙，在未來會(huì)有更廣闊的商業(yè)化前景。
