黃嘉興課題組：“剪貼術”搭建三維氧化石墨烯結構

黃嘉興課題組：“剪貼術”搭建三維氧化石墨烯結構

如何將一張紙變成立體結構，通常需要三個基本動作：彎曲（彈性形變）、折疊（塑性形變）和粘貼。對于微觀的納米材料，例如將薄膜組裝成三維結構，也必須要經過這三個基本操作。目前已有很多的研究，利用折疊和彎曲構筑了多樣的三維結構，但由于材料的限制，粘貼操作一直難以實現。


近日，美國西北大學黃嘉興課題組發現用一滴水就可以實現氧化石墨烯（GO）基材料的修復、粘貼、定型及多維結構或器件的搭建。這種快速且不污染樣品的“剪貼術”，方便了GO基材料的三維組裝及應用（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201706229）。

圖1水可以修復破損的GO膜并恢復其強度，也可以將其粘貼成更長或者更厚的膜


只需將水施加在GO膜的破損處（折痕、切痕、斷口），等水揮發后GO膜便自動修復，并且其機械性能又恢復到原始狀態。黃嘉興課題組在2015年發現，沒有被金屬離子交聯（污染）的GO膜是易溶于水的（Nature Chemistry 2015, 7, 166）。當水滴加在GO膜的“傷口”時，周圍的GO會重新溶于水，在水揮發的毛細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或者更厚的GO膜。

圖2 水可以幫助彈性形變下的GO釋放應力，固定其形狀（2倍播放速度）。


此外水還可以起到“定型”的作用，如果在拱起的結構上噴霧使其濕潤，等水揮發后，拱形GO中的應力得到有效釋放，即使撤去外力也可保持其拱起的結構，實現“啫喱水”的效果。

黃嘉興課題組：“剪貼術”搭建三維氧化石墨烯結構

圖3 利用“剪貼術”搭建的各種結構


利用這種剪貼的原理，可以用小張GO薄膜為原料，構建豐富多樣的GO結構，例如近一米長的GO帶，螺旋的GO彈簧。通過剪貼操作，可以構建出那些無法由折疊和彎曲操作獲得的形狀，例如莫斯比環，相交的平面等等。通過釋放應力，還可以得到具有復雜局部扭曲的結構，例如圖3i所示的蝴蝶環。

黃嘉興課題組：“剪貼術”搭建三維氧化石墨烯結構

圖4 “剪貼術”搭建各種GO“柔性動態結構”


購買過“宜家”家具的人，一定熟知他們的家具裝配圖?！癎O剪貼術”也可以用像組裝家具那樣的方式，將基于GO的零件“裝配”出能被光照驅動的立體結構，實現了例如爬行、起立、旋轉等動作。GO剪貼術可推動柔性動態結構的研究應用。


本文第一作者為清華大學深圳研究生院到西北大學交流訪問的博士研究生羅沖。


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

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