中(zhong)科(ke)院蘇州納(na)米所錢(qian)波團隊：壹種3D打印層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)新策略(lve)

中科(ke)院蘇州納(na)米所錢(qian)波團隊的(de)郭浩等人(ren)提出壹種3D打印層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)新策略(lve)。應(ying)用(yong)3D打印定(ding)制(zhi)的(de)針(zhen)對不同(tong)氧(yang)化(hua)石墨烯(xi)墨水的(de)狹(xia)縫(feng)擠(ji)出頭(tou)，並在墨水中(zhong)加入(ru)叔(shu)丁醇(chun)，抑(yi)制(zhi)冰(bing)晶(jing)生長，最後(hou)應(ying)用(yong)定(ding)制(zhi)擠(ji)出(chu)頭(tou)3D打印制(zhi)備(bei)得(de)到(dao)層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)，實(shi)現(xian)相比(bi)同(tong)類材料(liao)更高的電導率(lv)和電磁屏蔽性(xing)能，以及高靈敏(min)壓(ya)阻傳感性(xing)能。

圖1 3D打印層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)及其電磁屏蔽和壓(ya)力(li)傳感特(te)性

二(er)維材料(liao)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)因(yin)其(qi)在(zai)電磁屏蔽、傳感器(qi)、柔性(xing)器(qi)件、超(chao)級(ji)電容(rong)器(qi)及油(you)汙(wu)吸附(fu)等方(fang)面(mian)的(de)應(ying)用(yong)吸(xi)引(yin)了(le)人(ren)們廣泛(fan)的研究興趣。由於二(er)維材料(liao)本身(shen)的各向(xiang)異(yi)性特性，相比(bi)各向(xiang)同(tong)性結(jie)構(gou)，層(ceng)狀(zhuang)二(er)維材料(liao)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)在(zai)特(te)定(ding)方向(xiang)展(zhan)示(shi)出(chu)優異(yi)的(de)機械、電子、熱性能。然而，目(mu)前制(zhi)備(bei)層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)二(er)維材料(liao)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)方(fang)法(fa)較(jiao)少(shao)，比(bi)較(jiao)常(chang)用(yong)的(de)是(shi)定(ding)向(xiang)冷凍(dong)方法(fa)，但(dan)該(gai)制(zhi)備(bei)方(fang)法(fa)在(zai)尺寸和形狀(zhuang)上尚缺乏(fa)自(zi)由度，在性能上也(ye)仍有提升(sheng)的(de)空(kong)間(jian)。同時由於，二(er)維材料(liao)分散(san)液具有剪切變(bian)稀(xi)的(de)特性，在(zai)剪切力(li)的作(zuo)用(yong)下(xia)，可(ke)以實(shi)現(xian)液晶(jing)形態(tai)的(de)取向(xiang)分布(bu)，如(ru)果能充分利(li)用這(zhe)壹特性，將有望通(tong)過擠(ji)出(chu)裝(zhuang)置(zhi)實(shi)現(xian)取(qu)向(xiang)結(jie)構(gou)二(er)維材料(liao)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)制(zhi)備(bei)，從(cong)而(er)提升(sheng)樣(yang)品(pin)制(zhi)備(bei)的(de)自(zi)由度，並進壹步提升(sheng)材料(liao)性能。

中科(ke)院蘇州納(na)米所錢(qian)波團隊的(de)郭浩等人(ren)針(zhen)對這(zhe)壹問(wen)題(ti)，提出(chu)壹種3D打印層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)新策略(lve)。為充(chong)分利(li)用氧(yang)化(hua)石墨烯(xi)墨水的(de)剪切變(bian)稀(xi)特(te)性，研究團隊根(gen)據不(bu)用配(pei)方(fang)墨水的(de)剪切變(bian)稀(xi)特(te)性定(ding)制(zhi)設(she)計(ji)並應(ying)用(yong)摩(mo)方(fang)精(jing)密nanoArch S140高精度(du)光(guang)固化(hua)3D打印機制(zhi)備(bei)了(le)可(ke)使對應(ying)氧(yang)化(hua)石墨烯(xi)墨水實(shi)現(xian)長(chang)程(cheng)有序液晶(jing)形態(tai)的(de)狹(xia)縫(feng)擠(ji)出頭(tou)，狹(xia)縫(feng)尺寸50 μm，應(ying)用(yong)該(gai)擠(ji)出(chu)頭在冷凍(dong)襯(chen)底(di)上逐(zhu)層3D打印相對應(ying)墨(mo)水。由於氧(yang)化(hua)石墨烯(xi)水基(ji)墨水中(zhong)的水在(zai)冷凍(dong)襯(chen)底(di)上結(jie)晶(jing)生成(cheng)大(da)尺寸冰晶(jing)，這(zhe)將(jiang)破(po)壞(huai)狹(xia)縫(feng)擠(ji)出氧(yang)化(hua)石墨烯(xi)的液晶(jing)形態(tai)，為解(jie)決這(zhe)壹問(wen)題(ti)，團隊通(tong)過調(tiao)節(jie)叔(shu)丁醇(chun)在(zai)墨(mo)水中(zhong)的含量(liang)，減(jian)小(xiao)了(le)冷凍(dong)襯(chen)底(di)上冰(bing)晶(jing)生長的尺寸，從而降低了冷凍(dong)過程(cheng)對於取(qu)向(xiang)結(jie)構(gou)的(de)破(po)壞(huai)，最終(zhong)通(tong)過冷凍(dong)幹(gan)燥(zao)和化(hua)學還(hai)原(yuan)實(shi)現(xian)了(le)層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)制(zhi)備(bei)。

圖(tu)2 根(gen)據墨(mo)水的(de)流變(bian)性(xing)能設計(ji)並打印擠(ji)出頭(tou)

研究顯(xian)示(shi)，通(tong)過3D打印新策略(lve)制(zhi)備(bei)的(de)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)清(qing)晰。得(de)益(yi)於該(gai)層狀(zhuang)結(jie)構(gou)，本(ben)研究3D打印的(de)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)展(zhan)示(shi)出(chu)比(bi)同(tong)類石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)更高的電導率(lv)（705.6 S m−1）、更高的電磁屏蔽性(xing)能（3 mm樣(yang)品(pin)在X波(bo)段可(ke)實(shi)現(xian)最高電磁屏蔽能效68.75 dB），並可實(shi)現(xian)高靈敏(min)的壓(ya)阻傳感性(xing)能（清(qing)晰的(de)語音和脈搏信號(hao)傳感分辨(bian)能力(li)）。

圖3 通(tong)過墨(mo)水配(pei)方調(tiao)控(kong)獲(huo)得(de)良(liang)好(hao)層(ceng)狀(zhuang)結(jie)構(gou)的(de)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)

圖(tu)4 3D打印層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)電導率(lv)和電磁屏蔽性(xing)能

圖5 3D打印層(ceng)狀(zhuang)石墨烯(xi)氣(qi)凝(ning)膠(jiao)的(de)力(li)學和傳感性(xing)能

研究者(zhe)相信，此(ci)項(xiang)研究將為具(ju)有剪切變(bian)稀(xi)性(xing)能的材料(liao)制(zhi)備(bei)層(ceng)狀(zhuang)取(qu)向(xiang)結(jie)構(gou)材料(liao)提供(gong)壹條(tiao)新的路(lu)徑(jing)，為納(na)米材料(liao)通(tong)過3D打印有序可控(kong)組(zu)裝並實(shi)現(xian)更高的性(xing)能提供(gong)壹個新的思(si)路(lu)。相關(guan)論(lun)文(wen)在(zai)線(xian)發(fa)表(biao)在《Advanced Materials Technologies》上。蘇州納(na)米所郭浩為本(ben)文第(di)壹作(zuo)者(zhe)，錢波為本(ben)文通(tong)訊作(zuo)者(zhe)，蘇州大(da)學(xue)石學軍(jun)為本(ben)文的軟(ruan)件(jian)模(mo)擬提供(gong)了(le)支(zhi)持(chi)。

論(lun)文(wen)信息(xi)：A New Strategy of 3D Printing Lightweight Lamellar Graphene Aerogels for Electromagnetic Interference Shielding and Piezoresistive Sensor ApplicationsHao Guo, Tianxiang Hua, Jing Qin, Qixin Wu, Rui Wang, Bo Qian, Lingying Li, Xuejun ShiAdvanced Materials TechnologiesDOI: 10.1002/admt.202101699
原(yuan)文(wen)鏈(lian)接(jie)：https://doi.org/10.1002/admt.202101699