黄嘉兴课题组：“剪贴术”搭建三维氧化石墨烯结构

黄嘉兴课题组：“剪贴术”搭建三维氧化石墨烯结构

如何将一张纸变成立体结构，通常需要三个基本动作：弯曲（弹性形变）、折叠（塑性形变）和粘贴。对于微观的纳米材料，例如将薄膜组装成三维结构，也必须要经过这三个基本操作。目前已有很多的研究，利用折叠和弯曲构筑了多样的三维结构，但由于材料的限制，粘贴操作一直难以实现。


近日，美国西北大学黄嘉兴课题组发现用一滴水就可以实现氧化石墨烯（GO）基材料的修复、粘贴、定型及多维结构或器件的搭建。这种快速且不污染样品的“剪贴术”，方便了GO基材料的三维组装及应用（Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201706229）。

图1水可以修复破损的GO膜并恢复其强度，也可以将其粘贴成更长或者更厚的膜


只需将水施加在GO膜的破损处（折痕、切痕、断口），等水挥发后GO膜便自动修复，并且其机械性能又恢复到原始状态。黄嘉兴课题组在2015年发现，没有被金属离子交联（污染）的GO膜是易溶于水的（Nature Chemistry 2015, 7, 166）。当水滴加在GO膜的“伤口”时，周围的GO会重新溶于水，在水挥发的毛细作用下重新堆叠排列成完整的膜。利用此原理还可以迅速制备更长或者更厚的GO膜。

图2 水可以帮助弹性形变下的GO释放应力，固定其形状（2倍播放速度）。


此外水还可以起到“定型”的作用，如果在拱起的结构上喷雾使其湿润，等水挥发后，拱形GO中的应力得到有效释放，即使撤去外力也可保持其拱起的结构，实现“啫喱水”的效果。

黄嘉兴课题组：“剪贴术”搭建三维氧化石墨烯结构

图3 利用“剪贴术”搭建的各种结构


利用这种剪贴的原理，可以用小张GO薄膜为原料，构建丰富多样的GO结构，例如近一米长的GO带，螺旋的GO弹簧。通过剪贴操作，可以构建出那些无法由折叠和弯曲操作获得的形状，例如莫斯比环，相交的平面等等。通过释放应力，还可以得到具有复杂局部扭曲的结构，例如图3i所示的蝴蝶环。

黄嘉兴课题组：“剪贴术”搭建三维氧化石墨烯结构

图4 “剪贴术”搭建各种GO“柔性动态结构”


购买过“宜家”家具的人，一定熟知他们的家具装配图。“GO剪贴术”也可以用像组装家具那样的方式，将基于GO的零件“装配”出能被光照驱动的立体结构，实现了例如爬行、起立、旋转等动作。GO剪贴术可推动柔性动态结构的研究应用。


本文第一作者为清华大学深圳研究生院到西北大学交流访问的博士研究生罗冲。


图为本文的各位学生作者，分别为Chong Luo（清华大学赴西北大学交流访问博士生），Che-Ning Yeh （西北大学博士生，MRS杰出研究生金奖获得者），Jesus M. Lopez Baltazar （加州大学洛杉矶分校本科生，期间赴西北大学暑期交流，将于今年秋季起攻读博士学位，已被多所名校录取），Chao-Lin Tsai （西北大学硕士毕业，已加入applied materials）。

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