可折疊成盒狀的石墨烯

材料牛注：以古代的折紙藝術為靈感，中國的科學家們研制出可預編程控制的石墨烯紙，該石墨烯可以自行折疊成盒子狀，夾持器狀，甚至制作可以行走的裝置。

折疊和切割二維材料是制備復雜的三維結構材料的最簡單的方法之一。石墨烯具有高強度和高韌性，同時兼具優異的化學穩定性以及良好的電性能，是非常理想的二維材料。

東華大學的王教授和張教授利用化學轉變的方法，以納米薄片石墨烯作為納米尺度的構建模塊來制備可自我折疊的石墨烯紙，他們制備出的石墨烯薄膜幾乎是一張薄而韌的紙。

張教授的團隊把制備出的石墨烯紙切割成不同的形狀，當暴露在溫和的光熱條件下，石墨烯紙自行折疊成三維結構。這種折疊的方式可以被控制，所以通過控制石墨烯紙進行重復的展開和折疊，石墨烯紙可以模擬行走甚至是轉彎。

這種自我折疊行為是由于石墨烯紙的結構變化導致的。石墨烯紙是由濃縮的氧化石墨烯(rGO)和聚多巴胺修飾的石墨烯氧化物層（PDA-GO）組成的,并且兩種成分對水的敏感程度不同。PDA-rGO對水很敏感，遇到水分時會發生體積的變化，因此可以通過光照和溫度對其體積變化加以控制。與此相反，GO對水是惰性的。利用兩組分對水的敏感程度不同，科學家們制備出一種模型：通過膜輔助過濾和化學反應的手段，使線狀PDA-rGO吸附在GO膜上。當暴露在濕氣中，對水分不同程度的吸收/解吸收導致在PDA-rGO和GO區域出現膨脹和收縮的不匹配性，從而誘導體積發生彎曲（或伸直）變化。

科學家們研制出的可行走裝置，是通過平行的線狀PDA-rGO吸附在GO膜上的模型并通過近紅外（NIR）激光來控制。當受到光照射時石墨烯紙伸直，當光熄滅時石墨烯紙折疊起來。通過巧妙的設計裝置的形狀，利用折疊和展開來讓裝置實現行走。僅照射可行走設備的一側可以實現裝置的轉彎。

王教授解釋道：“通過改變總壓力的方向，石墨烯紙的運動可以被控制為前進，后退和轉彎。我們已經可以控制石墨烯紙的移動、轉彎、抓取、攜帶等動作”

這種制作簡單的可移動裝置可以對外界的刺激做出高效而快速的響應。經過重復的實驗，可移動裝置的性能幾乎沒有下降。

王教授說：“自我折疊石墨烯紙的研制可以攻克二維機器設備這一難題。與各式各樣的自我折疊材料相比，石墨烯紙的結構和成分都非常簡單。”

王教授認為隨著這個概念的進一步發展，將會推動下一代工業機械執行器、無線遙控微型機器人、流體化學分析、組織工程和人工肌肉等自我折疊裝置的發展。這項技術也可用作“智能”衣服和太陽能響應電池。

王教授說“我們的工作已經成功地克服了一些實際問題，包括穩定性差，非生理性的工作條件，以及傳統的活性物質/執行器仍面臨的復雜的制備技術等。”

隨著今后進一步的研究，材料將會更便宜，程序會更簡單，可以執行更復雜的任務，對外界刺激可以做出更快的響應。

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感謝材料人編輯部楊洪期提供素材