壹(yi)種(zhong)3D打印(yin)層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)新(xin)策(ce)略

中(zhong)科院蘇州(zhou)納(na)米(mi)所錢波團(tuan)隊的(de)郭(guo)浩等人(ren)提(ti)出壹(yi)種(zhong)3D打印(yin)層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)新(xin)策(ce)略。應(ying)用3D打印(yin)定制的(de)針對(dui)不同(tong)氧化石(shi)墨(mo)烯(xi)墨水(shui)的(de)狹(xia)縫擠(ji)出頭(tou)，並在墨水(shui)中加入叔(shu)丁醇(chun)，抑制冰晶(jing)生(sheng)長(chang)，最(zui)後(hou)應用定(ding)制擠出(chu)頭(tou)3D打印(yin)制備(bei)得(de)到層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)，實(shi)現相(xiang)比(bi)同類(lei)材(cai)料(liao)更高的(de)電導(dao)率(lv)和電磁(ci)屏(ping)蔽性能(neng)，以(yi)及(ji)高靈(ling)敏(min)壓(ya)阻傳(chuan)感(gan)性能(neng)。

圖(tu)1 3D打印(yin)層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)及(ji)其電磁(ci)屏(ping)蔽和壓(ya)力傳(chuan)感(gan)特(te)性

二(er)維材料氣凝(ning)膠(jiao)因(yin)其在電磁(ci)屏(ping)蔽、傳(chuan)感(gan)器(qi)、柔(rou)性器(qi)件(jian)、超級(ji)電容器及(ji)油汙吸(xi)附(fu)等方(fang)面(mian)的(de)應用(yong)吸(xi)引了(le)人們(men)廣泛(fan)的(de)研(yan)究(jiu)興(xing)趣(qu)。由於(yu)二(er)維材料本(ben)身的(de)各向(xiang)異性特(te)性，相(xiang)比(bi)各向(xiang)同(tong)性結(jie)構，層狀二維材料氣凝(ning)膠(jiao)在特定(ding)方(fang)向(xiang)展示(shi)出(chu)優(you)異的(de)機械、電子、熱(re)性能(neng)。然(ran)而，目前(qian)制備(bei)層狀結構二維材料氣凝(ning)膠(jiao)的(de)方(fang)法(fa)較少，比(bi)較常(chang)用的(de)是定(ding)向冷(leng)凍(dong)方(fang)法(fa)，但該制備(bei)方(fang)法(fa)在尺寸(cun)和形(xing)狀上尚缺(que)乏自由度，在性能(neng)上也(ye)仍(reng)有提升的(de)空間(jian)。同時(shi)由(you)於(yu)，二(er)維材料分散(san)液(ye)具有剪切變稀(xi)的(de)特性，在剪切(qie)力的(de)作用(yong)下，可以實(shi)現(xian)液(ye)晶形(xing)態(tai)的(de)取向分布，如(ru)果能充分利用(yong)這(zhe)壹(yi)特(te)性，將(jiang)有望通過(guo)擠(ji)出裝置實(shi)現(xian)取向結構二維材料氣凝(ning)膠(jiao)的(de)制備(bei)，從而提升樣品制備(bei)的(de)自由度，並(bing)進(jin)壹(yi)步(bu)提(ti)升材料性能(neng)。

中(zhong)科院蘇州(zhou)納(na)米(mi)所錢波團(tuan)隊的(de)郭(guo)浩等人(ren)針(zhen)對(dui)這(zhe)壹(yi)問(wen)題(ti)，提出(chu)壹(yi)種(zhong)3D打印(yin)層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)新(xin)策(ce)略。為(wei)充(chong)分利用(yong)氧化石(shi)墨(mo)烯(xi)墨水(shui)的(de)剪切(qie)變稀(xi)特(te)性，研(yan)究(jiu)團隊根(gen)據不用配方(fang)墨(mo)水的(de)剪切(qie)變稀(xi)特(te)性定(ding)制設計並應(ying)用摩(mo)方(fang)精(jing)密(mi)nanoArch S140高精(jing)度光(guang)固化3D打印(yin)機制備(bei)了(le)可使對(dui)應氧化石(shi)墨(mo)烯(xi)墨水(shui)實(shi)現長(chang)程(cheng)有序(xu)液(ye)晶形(xing)態(tai)的(de)狹(xia)縫擠(ji)出頭(tou)，狹(xia)縫尺寸(cun)50 μm，應用(yong)該擠(ji)出(chu)頭(tou)在冷(leng)凍(dong)襯(chen)底上逐(zhu)層3D打印(yin)相(xiang)對(dui)應墨(mo)水。由(you)於氧化石(shi)墨(mo)烯(xi)水基墨水(shui)中的(de)水在冷(leng)凍(dong)襯(chen)底上結晶(jing)生(sheng)成大(da)尺寸(cun)冰晶(jing)，這(zhe)將破(po)壞狹(xia)縫擠(ji)出氧化石(shi)墨(mo)烯(xi)的(de)液(ye)晶形(xing)態(tai)，為(wei)解(jie)決(jue)這(zhe)壹(yi)問(wen)題(ti)，團隊通過(guo)調節(jie)叔(shu)丁醇(chun)在墨水(shui)中的(de)含量(liang)，減小(xiao)了(le)冷(leng)凍(dong)襯(chen)底上冰晶(jing)生(sheng)長(chang)的(de)尺寸(cun)，從而降(jiang)低了(le)冷(leng)凍(dong)過(guo)程(cheng)對(dui)於取向結構的(de)破壞(huai)，最終通過(guo)冷(leng)凍(dong)幹燥(zao)和化學還(hai)原(yuan)實(shi)現了(le)層狀結構石墨(mo)烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)制備(bei)。

圖(tu)2 根(gen)據墨水的(de)流(liu)變性能(neng)設(she)計並打印(yin)擠出頭(tou)

研(yan)究(jiu)顯示(shi)，通(tong)過(guo)3D打印(yin)新(xin)策(ce)略制備(bei)的(de)石墨(mo)烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)層狀結構清(qing)晰。得(de)益於該層狀結構，本(ben)研(yan)究(jiu)3D打印(yin)的(de)石墨(mo)烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)展(zhan)示(shi)出(chu)比(bi)同類(lei)石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)更高的(de)電導(dao)率(lv)（705.6 S m⁻¹）、更高的(de)電磁(ci)屏(ping)蔽性能(neng)（3 mm樣(yang)品在X波段(duan)可實現(xian)最(zui)高電磁(ci)屏(ping)蔽能(neng)效(xiao)68.75 dB），並(bing)可實現(xian)高靈(ling)敏(min)的(de)壓阻傳(chuan)感(gan)性能(neng)（清(qing)晰的(de)語音(yin)和脈(mai)搏(bo)信(xin)號(hao)傳(chuan)感(gan)分辨能力）。

圖(tu)3 通過(guo)墨(mo)水配方(fang)調控獲得(de)良好(hao)層狀結構的(de)石墨(mo)烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)

圖(tu)4 3D打印(yin)層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)電導(dao)率(lv)和電磁(ci)屏(ping)蔽性能(neng)

圖(tu)5 3D打印(yin)層狀石墨烯(xi)氣凝(ning)膠(jiao)的(de)力學和傳(chuan)感(gan)性能(neng)

    研(yan)究(jiu)者相(xiang)信(xin)，此項(xiang)研(yan)究(jiu)將為(wei)具(ju)有剪切變稀(xi)性能(neng)的(de)材料(liao)制備(bei)層狀取向結構材料(liao)提供(gong)壹(yi)條(tiao)新(xin)的(de)路徑(jing)，為(wei)納(na)米(mi)材(cai)料(liao)通過(guo)3D打印(yin)有序(xu)可控組(zu)裝(zhuang)並(bing)實(shi)現(xian)更高的(de)性能(neng)提(ti)供(gong)壹(yi)個(ge)新(xin)的(de)思路(lu)。相(xiang)關(guan)論文在線發(fa)表在《Advanced Materials Technologies》上。蘇州(zhou)納(na)米(mi)所郭(guo)浩為(wei)本(ben)文(wen)第(di)壹(yi)作(zuo)者(zhe)，錢(qian)波為(wei)本(ben)文(wen)通(tong)訊作者，蘇州(zhou)大(da)學石(shi)學軍(jun)為(wei)本(ben)文(wen)的(de)軟件(jian)模擬提供(gong)了(le)支(zhi)持(chi)。