阳光照亮石墨烯氧化物薄膜的智能化之路

材料智能化一直是材料科学领域的研究热点,而基于智能材料的响应器件更是因其巨大的应用前景、深远的社会意义和重要的经济价值成为研究者们追求的目标。目前,通过制备双层/多层材料结构体系,利用材料组分的非均匀性实现对外界环境变化的响应特性是实现材料智能化的主流方法。当外界环境改变时,双层/多层智能材料会发生弯曲、扭曲等形变,进而实现对其的驱动与操控。但这种双层/多层材料在反复形变的过程中,存在材料层与层间粘附性变差的隐患,这个问题限制了此类智能薄膜的稳定性。

石墨烯作为一种具有单原子厚度的二维材料,凭借着高机械强度、透明性、导电性、物理化学稳定性和出色的生物兼容性,成为智能器件开发领域的理想材料。然而,实现石墨烯材料的智能化并非易事。我们知道石墨烯的制备方法主要有机械剥离、化学气相沉积法、外延生长法、化学剥离法等。其中,化学氧化剥离法制备的石墨烯氧化物材料表面具有丰富的含氧官能团, 这为其表面、界面特性的剪裁提供可能。然而,如何有效控制其含氧官能团分布梯度,实现其智能化驱动,是一个公认的难题。

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近期,吉林大学孙洪波教授和张永来教授带领的研究团队在其首创的“激光还原石墨烯氧化物”的研究基础上,提出的利用太阳光还原石墨烯氧化物,并控制其还原梯度剪裁石墨烯氧化物薄膜表面、界面特性的新方法, 可以一步直接制备出具有含氧官能团分布梯度的石墨烯双层结构薄膜。这个方法可以基于一种材料体系,实现“双层”结构特性。在利用石墨烯优良特性的同时,可以避免异质材料多层结构稳定性差的问题。结合第一性原理计算模拟分析,我们得出造成湿度驱动响应的内在原因是薄膜两面对水分子吸附能力的差异。利用这种类型的湿度响应石墨烯智能薄膜,成功制备了可以夹取实物的机械手,具有物体输运特性的湿度响应绒毛以及爬行机器人。这一研究成果受到国际关注: Nature杂志以“Sunshine drives graphene machines” 为题亮点(Highlight)介绍了这个工作, 高度赞扬石墨烯智能薄膜的独特优势, 并指出其未来令人惊喜的应用前景。

最后,我们相信利用光学手段进行石墨烯氧化物薄膜的智能化改性是一种绿色、环保、低成本、高效的制备方式。光学手段不仅为石墨烯智能薄膜的研究提供了新的思路,还为智能材料的驱动带来无限可能。

相关论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201403587)上,并于当期Inside Front Cover做简要介绍。此外、该研究组总结的利用光制备、驱动智能响应器件综述论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201602211)上。