眾所周知，將磚塊壘砌可以成墻，進(jìn)而建造成各式各樣的建筑。如今，石墨烯氣凝膠也可以像“砌墻”一樣進(jìn)行宏觀組裝了。石墨烯氣凝膠是由二維石墨烯構(gòu)成的一種超輕泡沫材料，具有超高的孔隙率和優(yōu)異的壓縮回彈性，可導(dǎo)電、吸音、耐高低溫、阻燃隔熱，在能源、環(huán)境、催化、傳感等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

最近，曲良體課題組發(fā)明了一種氣泡-冰晶雙模板輔助溶膠-凝膠法，成功制備了一種具有優(yōu)異塑性變形能力的石墨烯水凝膠，并且該水凝膠可以常壓干燥得到氣凝膠。研究者發(fā)現(xiàn)，將多個(gè)這種水凝膠“磚”在濕態(tài)下壓縮組裝，彼此間緊密排列，自然晾干后即可得到一體化的石墨烯氣凝膠“墻”甚至“房子”，不會(huì)變形收縮。并且，通過增大壓縮程度，可以顯著提高該材料的極限壓縮強(qiáng)度，最高可達(dá)47Mpa，而壓縮回彈性幾乎不會(huì)損失，可恢復(fù)應(yīng)變高達(dá)97%，解決了高強(qiáng)度和超彈性不能兼?zhèn)涞膯栴}。該方法具有很高的靈活性，通過控制壓縮程度即可調(diào)控氣凝膠材料的多種性質(zhì)，解決了該材料難以大面積制備的關(guān)鍵問題，有望實(shí)現(xiàn)石墨烯氣凝膠在建筑、交通工具、航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。該工作以題為“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infnite Macroscale”發(fā)表在國(guó)際重要期刊《Advanced Functional Materials》上，第一作者為北京理工大學(xué)博士研究生楊洪生。

圖b?為石墨烯水凝膠“磚”壓縮組裝、常壓干燥制備氣凝膠“墻”的過程。圖e?為搭建的一體化石墨烯氣凝膠“房子”。

圖c?為超彈性、可常壓干燥石墨烯水凝膠的制備過程及原理。圖d-f?為該水凝膠壓縮前后的宏觀照片及微觀結(jié)構(gòu)。

如上圖c所示，氧化石墨烯溶液中加入表面活性劑快速攪拌，引入了大量的微米氣泡，促使氧化石墨烯以該氣泡為模板進(jìn)行自組裝，獲得了各向同性的類球形大尺寸泡孔；再通過引入一步冷凍-融化過程，利用冰晶對(duì)閉合的泡孔進(jìn)行打洞，使形成相互連通的孔道，有利于內(nèi)部的氣泡和溶液擠出，如上圖e；最終得到了各向同性且相互連通的大尺寸泡孔結(jié)構(gòu)，如上圖d。正是這種精心設(shè)計(jì)的微觀結(jié)構(gòu)賦予了該水凝膠優(yōu)異的塑性變形能力和可常壓干燥能力。

圖a揭示了組裝過程中水凝膠之間界面的演變過程。圖b為組裝氣凝膠界面的掃描電鏡照片。

如上圖所示，研究者發(fā)現(xiàn)，通過壓縮可以使水凝膠之間的界面變得緊密，并且常壓干燥過程中，毛細(xì)收縮力會(huì)進(jìn)一步壓緊界面，使石墨烯片層之間緊密排列，產(chǎn)生了較強(qiáng)的π-π相互作用，氣凝膠之間形成很強(qiáng)的結(jié)合力，成為了一個(gè)整體。

圖a?表明阻燃劑改性的組裝氣凝膠具有優(yōu)異的阻燃隔熱能力，可以保護(hù)紙飛機(jī)不燃燒達(dá)10分鐘。圖c，圖d表明了組裝氣凝膠具有很好的回彈性和強(qiáng)度。

圖a-i表明通過控制壓縮程度，即可在較寬的范圍內(nèi)相對(duì)精確地調(diào)控氣凝膠材料的多種性質(zhì)，包括壓縮強(qiáng)度、平均孔徑、材料密度及導(dǎo)電性。

該組裝氣凝膠具有突出的阻燃隔熱能力，優(yōu)異的壓縮回彈性，可控的壓縮強(qiáng)度、密度、導(dǎo)電性。該工作最大的意義是，使多功能的石墨烯氣凝膠具有了不限的宏觀尺寸、多樣的宏觀結(jié)構(gòu)、豐富的性能選擇，并且方法簡(jiǎn)單、高效，有望實(shí)現(xiàn)石墨烯氣凝膠材料的大規(guī)模應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

Yang,H.; Li, Z.; Sun, G.; Jin, X.; Lu, B.; Zhang, P.; Lin, T.; Qu, L., Adv. Funct.Mater. 2019, 1901917.

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