武漢理工大學梅啟林/丁國民Advanced Materials卷首插畫論文：多元溶劑輔助實現石墨烯自組裝膜的自發分離與超靈敏擾動傳感
一、 【導讀】?
超薄石墨烯宏觀膜由于高模量、高傳導等優異特性，在納米機械傳感器、導熱導電材料、選擇性滲透膜和儲能等領域展現出廣闊的應用前景。憑借工藝簡單、適用性強和易調控的優勢，以氧化石墨烯（GO）為原料的氣—液界面自組裝技術被認為是最具推廣價值的石墨烯薄膜批量制備方法。而在傳統的水溶液體系內，GO納米片會大幅去質子化，這雖然保證了GO在水中的分散性，但會導致納米片間產生靜電排斥作用，從而嚴重降低GO在氣—液界面的自組裝能力。此外，天然的低強度導致石墨烯超薄膜在自組裝制備過程中，尤其是在復雜的膜轉移階段極易破損，嚴重限制了現今納米厚度石墨烯薄膜的尺寸。而利用基底或與其它材料復合以提高薄膜完整性的常規方法，不但會降低石墨烯本身傳導性，而且會導致薄膜變形能力變差，大大減弱了其應用優勢。因此，如何解決GO納米片低去質子化和高分散之間的矛盾，并擺脫膜轉移工藝的限制是石墨烯薄膜制備研究中亟需解決的關鍵科學問題。
二、【成果掠影】
近日，武漢理工大學梅啟林教授、丁國民副研究員通過多元溶劑復配在GO自組裝過程中引入超分子團簇和弱極性效應，同時實現了GO的低去質子化和良好分散性，從而顯著提高了GO納米片的自組裝能力，最短組裝成膜時間僅需52秒，且成膜溫度最低可達-20℃。更為重要的是，該研究顯著降低了GO薄膜與溶液間的吸引力，首次實現了GO薄膜與溶液的自發分離，最終在無需膜轉移工藝、無需支撐襯底的情況下獲得了納米級厚度、厘米級尺寸的氣浮石墨烯薄膜（AGF）。基于此超薄氣浮石墨烯膜，研究團隊進一步開發了一種機械傳感器（AGIS），其在微小溫度變化和氣流擾動檢測方面表現出快速的響應速度和超高的靈敏度。此項研究為石墨烯宏觀膜的大面積制備提供了一種新的理論和方法，其成果氣浮石墨烯薄膜在納米機械傳感器中具有顯著的應用優勢。
相關工作以“Enhanced Self–Assembly and Spontaneous Separation for Ultrathin, Air?Floating Graphene Macro?lms and their Application in Ultrasensitive In-Site Growth Sensors”為題發表在材料領域國際頂級期刊《Advanced Materials》上，并被評選為卷首插畫論文（Frontispiece）。文章第一作者為武漢理工大學材料科學與工程學院丁國民副研究員，梅啟林教授、丁國民副研究員擔任論文通訊作者，武漢理工大學為論文唯一署名單位。該項研究受到了國家自然科學基金、湖北省自然科學基金以及武漢理工大學自主創新基金等支持。
三、【數據概覽】
圖1 增強GO界面自組裝和GO薄膜自發分離。（a，b）GO在不同多元溶液表面的成膜過程；（c）GO薄膜在多元溶液表面的自發分離過程；（d）利用多元溶液一次性制備多層GO自組裝膜的照片；（e）通過顯微鏡觀察GO在界面處的自組裝過程；（f）界面處GO薄膜的受力情況分析；（g）界面處GO薄膜受力大小變化（h）-20℃下自組裝形成的氣浮GO薄膜。
圖2 氣浮GO薄膜的結構表征。（a-c）不同溶液自組裝得到的氣浮GO薄膜的表面與截面SEM圖；（d）不同氣浮GO薄膜的XRD圖譜；（e）不同AGF的表面電阻與體積電阻（厚度方向）；（f）氣浮GO薄膜的原子力顯微鏡照片；（g）不同形狀的AGF。
圖3 基于AGF原位生長的納米機械傳感器AGIS。（a）不同大小AGIS對氣流擾動的感知；（b）AGIS感知氣流擾動的機理示意圖；（c）AGIS對行人經過時的感知功能；（d）AGIS對超輕蒲公英降落過程的感知；（e）超輕蒲公英在AGIS上的降落過程。
四、【成果啟示】
綜上，該研究通過引入具有超分子團簇和弱極性的多元溶劑來提高GO的自組裝能力，顯著降低了自組裝薄膜與溶液之間的吸引力，進而實現了薄膜與溶液的自發分離，獲得了結構可控、形狀可調的氣浮石墨烯薄膜。并利用此自發分離行為，制備了超靈敏原位生長納米機械傳感器。基于以上研究與結論，該成果為納米材料構建超薄宏觀膜的制備和調控提供了新的理論和策略。通過這種技術，有望制得基于不同納米材料的氣浮宏觀膜，如碳納米管、納米纖維素和MXene超薄膜，進而拓展納米膜材料在智能傳感方面的應用。
文章評論(0)