清華大學Adv. Funct. Mater.：濕氣觸發的自愈合材料——氧化石墨烯基功能性組件

【引言】

自愈合材料能夠在受損處進行快速的自修復過程且無需任何粘結劑。該材料在執行器、形狀記憶材料、智能涂料、藥物治療等領域得到廣泛應用和需求。

【成果簡介】

近日，清華大學程虎虎博士（第一作者&通訊作者）在國際期刊Advanced Functional Materials上發表了題為“Self-Healing Graphene Oxide Based Functional Architectures Triggered by Moisture”的優秀研究成果， 曲良體教授為共同通訊作者。該工作研究了氧化石墨烯（GO）多維度結構體在水分輔助下自愈合過程和自愈合前后的性能變化。GO多維度結構體可在少量濕氣作用下自修復破碎位置并完全恢復其機械性能。并且將該愈合能力成功引入到GO感應器件、人工肌肉、仿生爬行器甚至旋轉馬達等功能器件。

【圖文導讀】

圖一. 水汽觸發3D塊材GO泡沫的自愈合過程

a. 5cm^-3的GO泡沫首先被撕裂為兩部分，濕氣噴灑在斷裂位置，之后自愈合為一個整體；
b. 自愈合GO泡沫照片；
c-d. GO泡沫后破損位置自愈合后的SEM, 標尺：c圖 50 μm, d圖20 μm；
e. 自愈合后，高溫還原的GO泡沫照片，標尺：1cm；
f. GO片層在水汽環境下自愈合示意圖；
g. GO泡沫初始態以及連續引入水以及蒸發過程中的XRD結果，小圖為蒸發過程中GO泡沫的XRD表征變化；
h. GO泡沫初始態以及連續引入水以及蒸發過程中的IR結果。

圖二. GO薄膜的自愈合過程以及性能表征

a. GO薄膜在初始態以及外部壓力下破裂和自愈合過程的照片；
b. 自愈合后GO薄膜的機械柔性，標尺：1 cm；
c. 在自愈合過程中GO薄膜斷裂處的放大圖，標尺：100 μm；
d. GO薄膜自愈合部分的SEM，標尺：10 μm；
e. 初始態及斷裂自愈合后GO薄膜的應力-應變曲線。

圖三. GO纖維自愈合過程及性能表征

a. GO纖維水汽觸發下的自愈合過程，標尺：1 cm；
b-c. GO纖維斷裂位置自愈合后的SEM圖，b圖標尺：20 μm，c圖標尺：5 μm；
d. GO纖維自愈合后纏繞成環狀的照片，標尺：1 cm；
e. 自愈合前后的GO纖維負載重物的照片，標尺：1 cm；
f. 自愈合后，高溫還原的GO纖維作為發光二級光的導線；
g-i. GO纖維在初始態、破裂和自愈合狀態的照片。

圖四. 不對稱結構GO薄膜和螺旋結構GO纖維的自愈合過程以及其仿生形變行為研究

a. 兩面具有不同粗糙度的GO薄膜示意圖；
b. 5 cm × 0.5 cm的GO薄膜自愈合前后過程；
c. 自愈合不對稱GO薄膜在濕度變化下的形變響應；
d. 不對稱GO薄膜可作為仿生形變尾巴；
e-f. GO愈合后的不對稱GO薄膜爬行器在相對濕度（RH=25%和RH=85%）變化下，在紙上向前爬行（f圖標尺：1 cm）；
g. 在較高的相對濕度下，螺旋結構GO纖維馬達在自愈合前后都展現出高速的旋轉特性。

圖五. GO薄膜作為自愈合濕度傳感器的性能

a. GO薄膜濕度傳感器在初始態、斷裂及自愈合后的示意圖；
b. 初始態和自愈合后的GO薄膜傳感器在電壓為1V時的電流-時間曲線；
c. 1.5 cm × 1.5 cm × 0.5 cm的磚狀GO；
d. 水汽觸發后，連接在一塊的有序GO磚塊堆疊的GO墻；
e. 1000℃還原后可導電的還原氧化石墨烯（rGO）墻（c d e圖標尺：1 cm）。

【小結】

該工作研究了GO結構體在濕氣觸發下的自愈合行為，實現了多維度結構GO組裝體的自愈合。系統研究了GO感應器件、仿生形變器件、爬行器以及旋轉馬達的自愈合性能。利用GO濕氣愈合能力，可以完成GO微建筑體的搭建，以及不同維度GO或者石墨烯結構體之間的有效連接。為在多維度空間和功能性器件中應用自愈合材料提供了一條新的路徑。

文獻鏈接：Self-Healing Graphene Oxide Based Functional Architectures Triggered by Moisture（Adv. Funct. Mater., 2017? DOI: 10.1002/adfm.201703096，程虎虎博士與黃亞鑫為共同第一作者）

相關研究：
1. H. Cheng, F. Zhao, J. Xue, G. Shi, L. Jiang, L. Qu, ACS Nano 2016, 10, 9529.
2. H. Cheng, Y. Hu, F. Zhao, Z. Dong, Y. Wang, N. Chen, Z. Zhang, L. Qu, Adv. Mater. 2014, 26, 2909.
3. H. H. Cheng, Y. X. Huang, G. Q. Shi, L. Jiang, L. Qu, Acc. Chem. Res. 2017, 50, 1663.
4. X. Yu, H. H. Cheng, Y. Zhao, L. Qu, G. Q. Shi, Nat. Rev. Mater. 2017, 2, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.46.

通訊作者簡介：

程虎虎博士研究方向主要為碳基、高分子多維度結構材料的構建，調控以及在能源存儲，仿生能源轉換等方面。

曲良體教授研究內容主要圍繞碳基、高分子基納微米材料開展研究，涉及碳納米管、石墨烯、導電高分子等的可控制備、功能化修飾及其應用研究，包括功能結構與材料制備、先進能源器件、激光微納制造等方面。

本文由材料人編輯部納米組Mr_PSP供稿，材料牛整理編輯。

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