作者:崔雪芹 来源:中国科学报 发布时间:2021/5/7 19:17:59
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科学家发现氧化石墨烯不仅可变还自带“返回键”

 

对于普通材料来说,两个物体一旦融合就难以复原,即便分开也不再是原来的两个物体。然而,经过4年的研究,浙江大学高分子科学与工程学系教授高超课题组发现,氧化石墨烯片具有适应性形变的能力,氧化石墨烯纤维在宏观尺度上能够在融合之后实现精确可逆的分裂,好比是自带了一个“返回键”。这项成果将对未来精确可逆的组装产生积极影响。5月7日,这项成果在《科学》发表。

高超告诉《中国科学报》,相比于已有的研究,课题组此次完成的氧化石墨烯基纤维精确可逆的融合-分裂过程是可控的,而且材料尺寸大,对于固体在可逆组装过程中界面的独特现象、材料的有效回收和重复利用等方面具有启发意义。

现实生活中,每一个固体单元都有自己的特定形状和尺寸,多个固体融合在一起组装成一个整体不难,但是结合越紧密往往分离就越难。因此无法通过分离再另外组装成别的形式的整体。

早前,科学家从细胞的融合与分裂中获得灵感,仿生设计了功能性的组装体,比如聚合物囊泡在光或热的刺激下,能够实现融合或实现融合与分裂,希望可以应用在药物的递送与释放等领域,但是在融合与分裂的“可逆”这一环节遇到了阻碍。

而高超课题组却发现,氧化石墨烯纤维挑战了人们的一般认知,能够在厘米级的宏观尺度下,变形组装并且解组装复原。他们将13500根氧化石墨烯纤维做成的一根刚性柱子,变成一张节点融合的柔性网,把实验过程颠倒过来后,网又重新变回了柱子。

“这个过程当中,组成柱子和网的氧化石墨烯纤维并没有发生变化。这项研究实现了氧化石墨烯宏观固体材料精确可逆的组装。”高超说。

为什么氧化石墨烯能做到精确可逆?这与材料本身的特性有关。高超课题组一直致力于石墨烯宏观组装的研究。早在2016年,课题组就发现,二维的氧化石墨烯片具有适应性形变的特点,可以完成融合。之前他们就利用氧化石墨烯纤维的溶胀融合成了无纺布。

那么,氧化石墨烯纤维融合后还能再分裂吗?

课题组研究发现,氧化石墨烯自身带有特殊的性质,即二维拓扑、丰富的含氧官能团、超柔性、自粘接,多根氧化石墨烯纤维融合后的粗纤维密度大、孔隙率少、界面结合适中,“这就使得材料的亲和力刚刚好,能够很容易地融合到一起,但结合力又不像钢那样强,所以还能分得开。”高超说。

实验中,课题组先把13500根氧化石墨烯纤维融合成一根直径1.2毫米的细长黑柱子,这些黑柱子可以承受680倍自身重量的力,然后把黑柱子放到水溶剂中解离再分裂,这时粗柱子就变成13500条纤维。论文第一作者、浙江大学高分子系的畅丹说:“这个过程中,氧化石墨烯的体积膨胀率达到了近40倍,提供了充分的表面形变的空间。”

在溶剂中纤维变软了,就可以拿出来编织成节点融合的网,而且这张网仍然保持了一定的强度,上面放辆玩具车完全没有问题。也就是说这些纤维再融合之后依然能作为功能材料来使用。

在复原环节,课题组把这张网再放回水溶剂,网重新分解成13500条纤维,捞出来之后它们会自动融合在一起,最终又变回了之前的柱子形状。

那怎么证明这13500条纤维还是原先的那13500条纤维呢?课题组通过荧光染料及硅纳米颗粒彩色标记的方式证明了每一条纤维的内在结构,确实是“我是我”“他是他”,纤维里面的成分没有在多次融合-分裂后互相“串门”。

神奇的还不止这些。氧化石墨烯纤维的这种特殊属性还能应用到别的材料上。

课题组在研究中发现,如果在尼龙、蚕丝、不锈钢丝、玻璃纤维等有机高分子、天然高分子、金属、无机非金属纤维的表面涂上一层氧化石墨烯,原有的这些普通材料也能够具有“组装-精确还原”的功能。

论文评审专家认为:“该工作代表着可回收及智能纤维材料领域的一个突破。结果具有科学价值,可能引起跨多个研究领域的兴趣。”

就此工作,日本长野大学Rodolfo Cruz-Silva和美国宾汉顿大学Ana Laura Elías在同期《科学》发文进行了评论。

相关论文信息:http://science.sciencemag.org/content/sci/372/6542/614.full

 
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