西工大官操教授團隊：3D打印石墨烯基超材料的最新發(fā)展和應(yīng)用

來源：高分子科技

通過合理設(shè)計重復(fù)結(jié)構(gòu)單元，超材料可以來實現(xiàn)天然或者化學合成材料所不具備的獨特物理特性（機械、電磁、聲學等），吸引了研究人員的廣泛關(guān)注。雖然先進的3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)超材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)的快速精確制備，實現(xiàn)其特殊的物理特性，但是傳統(tǒng)的3D打印材料主要是聚合物，陶瓷等，這大大限制了超材料的應(yīng)用前景。而石墨烯由于其優(yōu)異的理化性質(zhì)，可以作為超材料的組分材料，賦予超材料多功能性和廣闊的應(yīng)用前景。


最近，西北工業(yè)大學的官操課題組等人在國際期刊《Small》雜志上發(fā)表題為“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain”的綜述文章。從超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計、3D打印石墨烯的策略以及應(yīng)用等方面，回顧了3D打印石墨烯基超材料的最新進展。最后，展望了3D打印石墨烯超材料的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。

文章要點：
1.綜述了3D打印石墨烯基超材料的最近進展。

2.介紹了不同類型超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括機械超材料，電磁超材料（人造和仿生），聲學超材料（主動和被動），主要關(guān)注點是結(jié)構(gòu)設(shè)計對不同物理性能的影響，而不考慮組成材料的因素。

3.介紹了3D打印技術(shù)制備石墨烯基材料的方法，主要是墨水直寫技術(shù)，熔融沉積成型技術(shù)，光聚合技術(shù)。墨水直接技術(shù)制備3D石墨烯材料主要策略是（1）提高石墨烯的濃度，（2）添加劑調(diào)節(jié)流變性能，（3）石墨烯片間交聯(lián)（物理、化學），（4）間接法。熔融沉積成型技術(shù)主要是在石墨烯添加各種熱塑性材料（聚乳酸，共聚物ABS，聚碳酸酯等），使其在高溫下熔融流動。光聚合技術(shù)制備3D石墨烯材料主要策略是（1）石墨烯填料法，（2）熱解法，（3）模板輔助法。

4.介紹了3D打印石墨烯基超材料在電化學儲能器件（電池和超電容），響應(yīng)器件，電磁波吸收器等方面的應(yīng)用進展。

5.盡管已經(jīng)實現(xiàn)制備3D打印石墨烯超材料并將其應(yīng)用起來，但是仍有許多關(guān)鍵問題亟待解決。未來3D打印石墨烯基超材料的發(fā)展方向可以概括為以下幾個方面：（1）高效結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高其物理性能，比如復(fù)合結(jié)構(gòu)，梯度結(jié)構(gòu)；（2）開發(fā)高精度高性能的3D打印石墨烯技術(shù)；（3）拓展3D打印石墨烯超材料的應(yīng)用潛力。

圖1 3D打印石墨烯基超材料的概要示意圖

圖2 電磁超材料的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 聲學超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 光聚合技術(shù)制備3D打印石墨烯基材料

圖5 3D打印石墨烯超材料用于壓力響應(yīng)裝置

圖6 3D打印石墨烯基超材料的機遇與挑戰(zhàn)

作者簡介：
官操，西北工業(yè)大學柔性電子研究院教授，國家級青年人才項目獲得者，西北工業(yè)大學學術(shù)委員會委員，分析測試中心副主任，柔性電子前沿科學中心副主任。研究工作主要集中于柔性儲能材料和器件。已發(fā)表論文100余篇，他引12000余次，H因子60。獲2019-2022科睿唯安高被引學者。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202207833