導(dǎo)讀

　　近日，美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種由石墨烯泡沫制造三維導(dǎo)電物體的簡單方法，為能量存儲和柔性電子傳感器等應(yīng)用帶來了新的可能性。

　　背景

　　如果說有一種新材料極有可能掀起一場席卷全球的新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命，那么許多人都會想到石墨烯。這種由單層碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有許多優(yōu)異的特性，例如輕薄、柔韌性好、輕度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性極佳等等。

　　作為時下非常熱門的新材料與新技術(shù)，筆者之前介紹過許多有關(guān)石墨烯的創(chuàng)新研究成果，涉及石墨烯的特性研究、制備方法、實(shí)際應(yīng)用等。

　　從實(shí)際應(yīng)用的角度來說，石墨烯在柔性電子、高效晶體管、新型傳感器、新材料、電池、超級電容、半導(dǎo)體制造、新能源、通信、太赫茲技術(shù)、醫(yī)療、航天能源技術(shù)、分子電子等諸多領(lǐng)域都有著重要的價值，因此極具商業(yè)前景，也是全球各國都在著力研究的戰(zhàn)略性材料。

　　然而，通過低成本、易操作、高效率的制備方法制備出高質(zhì)量的石墨烯，對于石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用來說非常關(guān)鍵。例如，筆者曾經(jīng)介紹過“微流化法”、“爆炸法”、“激光誘導(dǎo)法”等制備方法。

　　今年2月份，筆者曾介紹過美國萊斯大學(xué)化學(xué)家 JamesTour的實(shí)驗(yàn)室將激光誘導(dǎo)制備的石墨烯(LIG)“燒入”紙張、衣服、 煤炭和特定食物，甚至是吐司面包中。

　　(圖片來源： 萊斯大學(xué) / Jeff Fitlow)

　　將LIG圖案寫入目標(biāo)材料中，可作為超級電容、的電催化劑、天線、等使用。舉例來說，LIG圖案可作為食品上的RFID標(biāo)簽，記錄食品生產(chǎn)地址、生產(chǎn)日期等信息;也可以作為傳感器，檢測食品中的大腸桿菌和其他微生物。此外，Tour 表示，柔性可穿戴電子器件將成為這項(xiàng)技術(shù)的早期市場應(yīng)用，例如將導(dǎo)電線放置到衣服中，可用于加熱衣服或者添加傳感器或?qū)щ妶D案。

　　(圖片來源： 萊斯大學(xué) / Jeff Fitlow)

　　創(chuàng)新

　　今天，讓我們繼續(xù)關(guān)注萊斯大學(xué) James Tour 實(shí)驗(yàn)室在激光誘導(dǎo)石墨烯方面取得的新進(jìn)展。

　　近日，Tour 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出一種通過石墨烯泡沫制造三維導(dǎo)電物體的簡便方法。Tour 稱，石墨烯泡沫是一種濕軟的物體，看上去和摸上去都像小孩子玩的泥巴，可是它卻為能量存儲和柔性電子傳感器等應(yīng)用開辟了新的可能性。

　　讓我們先來看一幅圖：論文的共同領(lǐng)導(dǎo)作者、萊斯大學(xué)的研究生Duy Xuan Luong 將三維的激光誘導(dǎo)石墨烯放置在兩條柳樹枝上。該實(shí)驗(yàn)室采用工業(yè)激光將便宜的聚酰亞胺塑料在室溫下轉(zhuǎn)化為石墨烯泡沫，然后將薄片綁定到一起制造出輕量導(dǎo)電的三維石墨烯。

　　(圖片來源： 萊斯大學(xué))

　　關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)細(xì)節(jié)的論文發(fā)表在《先進(jìn)材料(Advanced Materials)》雜志。

　　技術(shù)

　　2014年，該實(shí)驗(yàn)室就曾通過激光加熱廉價的聚酰亞胺塑料板，首次制造出激光誘導(dǎo)石墨烯。激光燃燒掉大約一半的塑料，將其頂部轉(zhuǎn)化為互相連接的二維碳薄片，這種二維碳薄片仍然與底部的一半保持連接。LIG會在室溫下以宏觀圖案的形式制造出來。Tour 表示，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將他們技術(shù)的拓展用于在木頭甚至食物上制造LIG，但是迄今為止還無法制造出純石墨烯制成的三維物體。

　　Tour 表示：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)構(gòu)造出一個原型機(jī)器，通過自動的連續(xù)分層和激光照射，將石墨烯泡沫制造成三維物體。這樣無需熔爐或者金屬晶體，真正地將石墨烯帶到了三維，而且我們的工藝很容易擴(kuò)展。”

　　(圖片來源： 萊斯大學(xué))

　　新方法基于分層實(shí)體制造技術(shù)。在這種技術(shù)中，材料的各層被集成到一起，但然后切成相應(yīng)的形狀。在這個案例中，頂部的LIG層保持與底部的聚酰亞胺塑之間的連接。第二層涂有乙二醇，面朝下放置在第一層上面，就像果醬三明治一般。然后，其頂部的聚酰亞胺被燒成石墨烯。這項(xiàng)工藝可以按照需要重復(fù)進(jìn)行，直到整塊完成。如下圖所示：

　　(圖片來源： 萊斯大學(xué) / Tour Group)

　　Duy Xuan Luong 表示，乙二醇粘合劑會在一個熱的盤子上被蒸發(fā)掉，任何剩余的聚酰亞胺都會在熔爐中被去除掉。這樣就剩下了原始狀態(tài)的海綿狀的碳塊。萊斯實(shí)驗(yàn)室堆疊了多達(dá)5層的泡沫，然后采用在一個改良的三維打印機(jī)上的光纖激光系統(tǒng)，將碳塊磨成復(fù)雜的形狀。

　　價值

　　實(shí)驗(yàn)室制作了概念驗(yàn)證階段的鋰離子電容器，它采用三維LIG作為陽極和陰極。陽極的質(zhì)量比容量是354毫安時每克，接近石墨的理論極限，而陰極的容量超越其他碳材料的平均容量。970次充放電循環(huán)之后，經(jīng)過完整測試，電池可以保持70%的容量。

　　Tour 表示：“在這些新一代的鋰離子電容器中，它代表了非常卓越的性能，獲得了鋰離子電池和電容混合物的最佳特性。”

　　然后，研究人員通過20納米到30納米的孔洞，為一塊三維LIG灌入了聚二甲基硅氧烷液體。這樣可以制造出更強(qiáng)大導(dǎo)電材料，并保持柔韌性，還不會改變泡沫的初始形狀。他們通過這種材料制造出一種柔性傳感器，可以精準(zhǔn)地記錄來自志愿者手腕的脈沖。他們表示，通過對于設(shè)備進(jìn)一步的校準(zhǔn)，將使得他們可以從脈沖波形中提取血壓信息。