• 材料界的“孫悟空”

    氧化石墨烯不僅可以變變變還自帶“返回鍵”,浙大學者成果登《科學》

    發布時間:2021-05-08來源:浙大新聞辦

    如果你覺得兩枚金戒指樣式老氣,可以到金店高溫熔化重新打一對,可是當戒指熔化成金水后,你又后悔了怎么辦?還能要回之前的兩枚金戒指嗎?

    答案是顯而易見的,即使重新打制的金戒指從外觀上看和之前的一模一樣,但內在組成部分已經打亂重新隨機分配過了,只能唱上一句:“早知如此,何必開始,我不是原來的我?!?/span>

    對于普通材料來說,兩個物體一旦融合就難以復原,即便分開也不再是原來的兩個物體。然而,經過4年的研究,浙江大學高分子科學與工程學系高超教授課題組發現,氧化石墨烯片具有適應性形變的能力,氧化石墨烯纖維在宏觀尺度上能夠在融合之后實現精確可逆的分 裂,好比是自帶了一個“返回鍵”。這項成果將對未來精確可逆的組裝產生積極影響。

    1 氧化石墨烯纖維精確可逆的融合與分裂示意圖

    北京時間57日,這項成果被國際頂級期刊《科學》刊登。論文第一作者為浙江大學高分子系的博士生暢丹,論文共同通訊作者為浙江大學高超教授、李拯博士,西安交通大學劉益倫教授。

    論文官網截圖


    精確可逆,就像孫悟空變化自如

    《西游記》里的孫悟空神通廣大,一個讓人羨慕的本領就是“七十二變”。書里記載說:“妖王道:‘憑他變甚小的,我這里每一層門上,有四五個小妖把守,他怎生得入!’行者道:‘你是不知,他會變蒼蠅、蚊子、虼蚤,或是蜜蜂、蝴蝶并蟭蟟蟲等項,又會變我模樣,你卻那里認得?’”好幾次面對妖怪的時候,孫悟空變成老虎、大樹、大山等,最后又重新變回原本的模樣。

    當然,這是神話故事里才有的奇跡?,F實生活中,每一個固體單元都有自己的特定形狀和尺寸,多個固體融合在一起組裝成一個整體不難,但是結合越緊密往往分離就越難。因此無法通過分離再另外組裝成別的形式的整體。

    早前,科學家從細胞的融合與分裂中獲得靈感,仿生設計了功能性的組裝體,比如聚合物囊泡在光或熱的刺激下,能夠實現融合或實現融合與分裂,希望可以應用在藥物的遞送與釋放等領域,但是在融合與分裂的“可逆”這一環節遇到了阻礙。

    所謂精確可逆,就是物體的數量、尺寸、組分、結構和性能等在一次融合-分裂循環之后可以恢復到原始狀態。但之前的研究因為在材料界面發生了不可逆的物理或化學變化,所以還沒有能夠做到精確可逆?!备叱f。

    而高超課題組卻發現,氧化石墨烯纖維挑戰了人們的一般認知,能夠在厘米級的宏觀尺度下,變形組裝并且解組裝復原。他們將13500根氧化石墨烯纖維做成的一根剛性柱子,變成一張節點融合的柔性網,把實驗過程顛倒過來后,網又重新變回了柱子。

    融合柱與節點融合網之間可逆轉變的宏觀照片

    這個過程當中,組成柱子和網的氧化石墨烯纖維并沒有發生變化?!巴ㄟ^特定的處理方式,氧化石墨烯纖維融合得到的固體材料可以像孫悟空那樣,七十二變后再變回原本的樣子。也就說,我們這項研究實現了氧化石墨烯宏觀固體材料精確可逆的組裝?!?/span>


    可逆奧秘,適應性形變好比是“返回鍵”

    為什么氧化石墨烯能做到精確可逆?這與材料本身的特性有關。高超課題組一直致力于石墨烯宏觀組裝的研究。早在2016年,課題組就發現,二維的氧化石墨烯片具有適應性形變的特點,可以完成融合。之前他們就利用氧化石墨烯纖維的溶脹融合成了無紡布。

    那么,氧化石墨烯纖維融合后還能再分裂嗎?

    課題組繼續研究。他們發現,氧化石墨烯自身帶有特殊的性質,即二維拓撲、豐富的含氧官能團、超柔性、自粘接,多根氧化石墨烯纖維融合后的粗纖維密度大、孔隙率少、界面結合適中,“這就使得材料的親和力剛剛好,能夠很容易地融合到一起,但結合力又不像鋼那樣強,所以還能分得開?!备叱f。

    典型的氧化石墨烯纖維融合與分裂過程的掃描電鏡照片

    實驗中,課題組先把13500根氧化石墨烯纖維融合成一根直徑1.2毫米的細長黑柱子,這些黑柱子可以承受680倍自身重量的力,然后把黑柱子放到水溶劑中解離再分裂,這時粗柱子就變成13500條纖維。暢丹說:“這個過程中,氧化石墨烯的體積膨脹率達到了近40倍,提供了充分的表面形變的空間?!?/span>

    在溶劑中纖維變軟了,就可以拿出來編織成節點融合的網,而且這張網仍然保持了一定的強度,上面放輛玩具車完全沒有問題。也就是說這些纖維再融合之后依然能作為功能材料來使用。

    在復原環節,課題組把這張網再放回水溶劑,網重新分解成13500條纖維,撈出來之后它們會自動融合在一起,最終又變回了之前的柱子形狀。

    那怎么證明這13500條纖維還是原先的那13500條纖維呢?課題組通過熒光染料及硅納米顆粒彩色標記的方式證明了每一條纖維的內在結構,確實是“我是我”“他是他”,纖維里面的成分沒有在多次融合-分裂后互相“串門”。


    穿上“馬甲”,這些材料也能72

    神奇的還不止這些。氧化石墨烯纖維的這種特殊屬性還能應用到別的材料上。

    課題組在研究中發現,如果在尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維等有機高分子、天然高分子、金屬、無機非金屬纖維的表面涂上一層氧化石墨烯,原有的這些普通材料也能夠具有“組裝-精確還原”的功能。

    論文評審專家認為:“該工作代表著可回收及智能纖維材料領域的一個突破。結果具有科學價值,可能引起跨多個研究領域的興趣?!?/span>

    就此工作,日本長野大學Rodolfo Cruz-Silva和美國賓漢頓大學Ana Laura Elías在同期Science發文進行了評論。


    高超表示,相比于已有的研究,課題組此次完成的氧化石墨烯基纖維精確可逆的融合-分裂過程是可控的,而且材料尺寸大,對于固體在可逆組裝過程中界面的獨特現象、材料的有效回收和重復利用等方面具有啟發意義。

    (文 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供)


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