中科院發現“超級材料”的石墨烯新結構和新奇應用

2015年9月23日(農曆2015年8月11日)，“超級材料”石墨烯新結構被發現：輕如氣球硬如金屬。歷史上的今天官網9月23日報道，一項研究報告稱，中國科學家發現了一種“超級材料”，像氣球一樣輕卻像金屬一樣堅固，可將其研發成能夠保護軍隊和坦克同時又能保持兩者機動性的裝甲。據《上海矽酸鹽所》網站9月23日報道，中國科學院上海矽酸鹽研究所的研究人員領導的這項研究稱，研究人員利用細小的管狀石墨烯構成一個擁有與鑽石同等穩定性的蜂窩狀結構，從而創造出了這種泡沫狀材料。報道稱，石墨烯作為一種具有異乎尋常特性的極薄的碳原子材料，近幾年來吸引了研究人員巨大的興趣。這種材料的強度比同重量的鋼材要大207倍，而且能夠以極高的效率導熱和導電。但是，刊登在《高階材料》週刊最新一期上的研究報告稱，這種新材料能夠支撐起相當於其自身重量40萬倍的物體而不發生彎曲。一個這種石墨烯泡沫承受了力度超過每平方英寸1.45萬磅的外力的重擊——幾乎相當於在世界海洋最深處——約10.9千米深——位於美國關島沿海的馬裡亞納海溝，即所謂的“挑戰者”號海淵——的壓力。這個上海的研究小組稱，他們新創造出的這種材料能夠承受較之以往報道的石墨烯材料更大的衝擊。報道稱，這種材料還可以被擠壓成其原始大小的約5%，而且依然能夠恢復其原來的形態，而且即使這一過程重複1000次還能保持完好無損。報道稱，這種新材料的特性意味著其可以用在防彈衣的內部和坦克的表面作為緩衝墊，以吸收來自射彈(如子彈、炮彈、火箭彈等)的衝擊力。一種堪稱超級材料的石墨烯新結構和新奇應用兼具高比剛度、高比強度、強能量吸收等優點的CellularMaterials(多孔材料)，可應用於複合材料、環境、能源和生物等領域。構建密度低於10mg/cm3超輕材料為目前國際研究熱點，例如金屬(Ni-P)、陶瓷(Al2O3)基等超晶格結構。然而，隨著密度的降低，這些材料的力學、電學效能呈指數(n>2)降低，同時材料結構的穩定性以及可恢復形變顯著變差。科學家夢寐以求碳基的cellularmaterials，由碳奈米管或石墨烯組成，兼具優異的力學和電學效能。這要求結構單元(碳管、或石墨烯片之間)由共價鍵連線，但是難以實現。最近中國科學院上海矽酸鹽研究所、賓夕法尼亞大學和北京大學合作研究，畢輝博士、陳一葦教授和黃富強教授等發現了一種三維石墨烯管的“超級材料”(圖1)，屬於一種新型的具有分級多孔結構的cellularmaterial，兼具遠優於已有碳材料的強力學、低密度、高導電等特性。該石墨烯宏觀體的密度可低達1mgcm-3(連續可調)，比表面積可高達1000m2g-1。該三維石墨烯首次由四連線的石墨烯奈米管透過碳碳共價鍵鍵合，形成類似金剛石的四配位三維穩固結構。圖1三維石墨烯管宏觀和微觀形貌該三維石墨烯管具有高強度，壓縮模量可達100MPa，可以支撐自身重量的40，000倍，沒有發生明顯形變(圖2)，同時還具有超高彈性，壓縮形變95%以上，迴圈1000次後幾乎可完全恢復，為所有cellularmaterials之最。石墨烯空管材料擁有優異的電導率，電導率可達70Scm-1，三維石墨烯管可作為效能優異的彈性導體，其力學和電學效能是目前報道的多孔石墨烯的1-2個數量級高，可以應用於新能源領域。此外，該材料具有超疏水特性，吸附有機溶劑超快，吸附有機溶劑達自身重量的600倍以上，可用於汙水處理，如海上漏油等。相關工作得到了國家自然科學基金、上海市科委重點基金專案的資助，相關結果於材料科學界權威的學術雜誌《先進材料》(AdvancedMaterials，DOI:10.1002/adma.201502682)上發表。圖2三維石墨烯管優異的力學、電學和化學吸附效能