2021欧洲杯竞猜

材料界的“孙悟空”

氧化石墨烯不仅可以变变变还自带“返回键”,浙大学者成果登《科学》

发布时间:2021-05-08来源:浙大新闻办作者:吴雅兰 柯溢能0

如果你觉得两枚金戒指样式老气,可以到金店高温熔化重新打一对,可是当戒指熔化成金水后,你又后悔了怎么办?还能要回之前的两枚金戒指吗?

答案是显而易见的,即使重新打制的金戒指从外观上看和之前的一模一样,但内在组成部分已经打乱重新随机分配过了,只能唱上一句:“早知如此,何必开始,我不是原来的我。”

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,欧洲杯竞猜app高分子科学与工程学系高超教授课题组发现,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。

1 氧化石墨烯纤维精确可逆的融合与分裂示意图

北京时间57日,这项成果被国际顶级期刊《科学》刊登。论文第一作者为欧洲杯竞猜app高分子系的博士生畅丹,论文共同通讯作者为欧洲杯竞猜app高超教授、李拯博士,西安交通大学刘益伦教授。

论文官网截图


精确可逆,就像孙悟空变化自如

《西游记》里的孙悟空神通广大,一个让人羡慕的本领就是“七十二变”。书里记载说:“妖王道:‘凭他变甚小的,我这里每一层门上,有四五个小妖把守,他怎生得入!’行者道:‘你是不知,他会变苍蝇、蚊子、虼蚤,或是蜜蜂、蝴蝶并蟭蟟虫等项,又会变我模样,你却那里认得?’”好几次面对妖怪的时候,孙悟空变成老虎、大树、大山等,最后又重新变回原本的模样。

当然,这是神话故事里才有的奇迹。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。

所谓精确可逆,就是物体的数量、尺寸、组分、结构和性能等在一次融合-分裂循环之后可以恢复到原始状态。但之前的研究因为在材料界面发生了不可逆的物理或化学变化,所以还没有能够做到精确可逆。”高超说。

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。

融合柱与节点融合网之间可逆转变的宏观照片

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。“通过特定的处理方式,氧化石墨烯纤维融合得到的固体材料可以像孙悟空那样,七十二变后再变回原本的样子。也就说,2021欧洲杯竞猜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。”


可逆奥秘,适应性形变好比是“返回键”

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?

课题组继续研究。他们发现,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。

典型的氧化石墨烯纤维融合与分裂过程的扫描电镜照片

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。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”。


穿上“马甲”,这些材料也能72

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Science发文进行了评论。


高超表示,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。

(文 吴雅兰 柯溢能/摄影 卢绍庆 部分图片由课题组提供)


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