清華大學成會明院士、丘陵副教授：3D打印模板引導組裝超輕石墨烯多級結構

來源：化學與材料科學

億萬年的進化賦予了天然生物材料（如骨骼、樹木）極其精妙的多級、多尺度結構。得益于此，即使其基本構筑單元的種類有限且性能平平，此類生物材料仍表現(xiàn)出一系列優(yōu)異性能和復雜功能，因此也成為科研界開發(fā)具有卓越性能及功能的先進材料的靈感來源。隨著納米技術的發(fā)展，研究人員已通過自組裝、模板導向及3D打印等方法制備出了多種具有多級結構的仿生材料。然而，對于多級結構的控制往往局限于宏觀或微觀尺度范圍內，而涵蓋納米到宏觀尺度的多級結構的可控制備鮮有工具。

近日，清華大學深圳國際研究生院丘陵副教授與成會明院士課題組在《Advanced Functional Materials》期刊上發(fā)表了題為“3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202105879）。該文章提出了一種基于3D打印模板引導組裝的方法，以石墨烯為基本構筑單元，實現(xiàn)了多尺度多級結構的精確制備。該方法結合了數(shù)字光處理（DLP）3D打印對介觀到宏觀尺度結構的精細定制能力以及石墨烯可控自組裝對納米到微米尺度結構的調控能力，從而實現(xiàn)了特征尺寸由納米至厘米跨越七個數(shù)量級的多級結構控制。該方法可以拓展到其他二維材料以及陶瓷材料的多級結構的制備，為多尺度可設計結構的制備提供新思路。

實驗結果表明，通過對于多級結構的合理設計，可以賦予三維石墨烯宏觀體一系列優(yōu)異的性質。例如，通過不同尺度范圍內有序結構的組裝，使制備出的石墨烯結構具有超高模量（高于其他超輕多孔材料10倍以上）及超彈性（可由95%的壓縮應變完全恢復）等優(yōu)異力學性能。此外，具有高機械強度及精巧設計的石墨烯結構可實現(xiàn)破紀錄的超低密度（低至0.08 mg/cm3,空氣密度的1/15）、超高的有機溶劑吸收能力（可吸收高達自身重量2060倍的氯仿）以及高電導率等特性。

圖1多尺度石墨烯結構的制備流程及高自由度結構設計

圖2 不同尺度下的多級結構特征

圖3可定制的力學行為：(a,c)高剛度；(b,d)超彈性

圖4 多尺度石墨烯結構的多樣化應用：(a-b)超輕高模量材料；(c)超高有機溶劑吸收能力；(d)作為模板實現(xiàn)功能材料的復雜多級結構制備（左至右：氧化鈦、二硫化鉬/石墨烯、氧化鋁）

原文鏈接
Zhou, J., Wu, X., Chen, Y., Yang, C., Yang, R., Tan, J., Liu, Y., Qiu, L., Cheng, H.-M., 3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures. Adv. Funct. Mater. 2022, 2105879.
https://doi.org/10.1002/adfm.202105879