清华大学Adv. Funct. Mater.：湿气触发的自愈合材料——氧化石墨烯基功能性组件

【引言】

自愈合材料能够在受损处进行快速的自修复过程且无需任何粘结剂。该材料在执行器、形状记忆材料、智能涂料、药物治疗等领域得到广泛应用和需求。

【成果简介】

近日，清华大学程虎虎博士（第一作者&通讯作者）在国际期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Self-Healing Graphene Oxide Based Functional Architectures Triggered by Moisture”的优秀研究成果， 曲良体教授为共同通讯作者。该工作研究了氧化石墨烯（GO）多维度结构体在水分辅助下自愈合过程和自愈合前后的性能变化。GO多维度结构体可在少量湿气作用下自修复破碎位置并完全恢复其机械性能。并且将该愈合能力成功引入到GO感应器件、人工肌肉、仿生爬行器甚至旋转马达等功能器件。

【图文导读】

图一. 水汽触发3D块材GO泡沫的自愈合过程

a. 5cm^-3的GO泡沫首先被撕裂为两部分，湿气喷洒在断裂位置，之后自愈合为一个整体；
b. 自愈合GO泡沫照片；
c-d. GO泡沫后破损位置自愈合后的SEM, 标尺：c图 50 μm, d图20 μm；
e. 自愈合后，高温还原的GO泡沫照片，标尺：1cm；
f. GO片层在水汽环境下自愈合示意图；
g. GO泡沫初始态以及连续引入水以及蒸发过程中的XRD结果，小图为蒸发过程中GO泡沫的XRD表征变化；
h. GO泡沫初始态以及连续引入水以及蒸发过程中的IR结果。

图二. GO薄膜的自愈合过程以及性能表征

a. GO薄膜在初始态以及外部压力下破裂和自愈合过程的照片；
b. 自愈合后GO薄膜的机械柔性，标尺：1 cm；
c. 在自愈合过程中GO薄膜断裂处的放大图，标尺：100 μm；
d. GO薄膜自愈合部分的SEM，标尺：10 μm；
e. 初始态及断裂自愈合后GO薄膜的应力-应变曲线。

图三. GO纤维自愈合过程及性能表征

a. GO纤维水汽触发下的自愈合过程，标尺：1 cm；
b-c. GO纤维断裂位置自愈合后的SEM图，b图标尺：20 μm，c图标尺：5 μm；
d. GO纤维自愈合后缠绕成环状的照片，标尺：1 cm；
e. 自愈合前后的GO纤维负载重物的照片，标尺：1 cm；
f. 自愈合后，高温还原的GO纤维作为发光二级光的导线；
g-i. GO纤维在初始态、破裂和自愈合状态的照片。

图四. 不对称结构GO薄膜和螺旋结构GO纤维的自愈合过程以及其仿生形变行为研究

a. 两面具有不同粗糙度的GO薄膜示意图；
b. 5 cm × 0.5 cm的GO薄膜自愈合前后过程；
c. 自愈合不对称GO薄膜在湿度变化下的形变响应；
d. 不对称GO薄膜可作为仿生形变尾巴；
e-f. GO愈合后的不对称GO薄膜爬行器在相对湿度（RH=25%和RH=85%）变化下，在纸上向前爬行（f图标尺：1 cm）；
g. 在较高的相对湿度下，螺旋结构GO纤维马达在自愈合前后都展现出高速的旋转特性。

图五. GO薄膜作为自愈合湿度传感器的性能

a. GO薄膜湿度传感器在初始态、断裂及自愈合后的示意图；
b. 初始态和自愈合后的GO薄膜传感器在电压为1V时的电流-时间曲线；
c. 1.5 cm × 1.5 cm × 0.5 cm的砖状GO；
d. 水汽触发后，连接在一块的有序GO砖块堆叠的GO墙；
e. 1000℃还原后可导电的还原氧化石墨烯（rGO）墙（c d e图标尺：1 cm）。

【小结】

该工作研究了GO结构体在湿气触发下的自愈合行为，实现了多维度结构GO组装体的自愈合。系统研究了GO感应器件、仿生形变器件、爬行器以及旋转马达的自愈合性能。利用GO湿气愈合能力，可以完成GO微建筑体的搭建，以及不同维度GO或者石墨烯结构体之间的有效连接。为在多维度空间和功能性器件中应用自愈合材料提供了一条新的路径。

文献链接：Self-Healing Graphene Oxide Based Functional Architectures Triggered by Moisture（Adv. Funct. Mater., 2017  DOI: 10.1002/adfm.201703096，程虎虎博士与黄亚鑫为共同第一作者）

相关研究：
1. H. Cheng, F. Zhao, J. Xue, G. Shi, L. Jiang, L. Qu, ACS Nano 2016, 10, 9529.
2. H. Cheng, Y. Hu, F. Zhao, Z. Dong, Y. Wang, N. Chen, Z. Zhang, L. Qu, Adv. Mater. 2014, 26, 2909.
3. H. H. Cheng, Y. X. Huang, G. Q. Shi, L. Jiang, L. Qu, Acc. Chem. Res. 2017, 50, 1663.
4. X. Yu, H. H. Cheng, Y. Zhao, L. Qu, G. Q. Shi, Nat. Rev. Mater. 2017, 2, DOI: 10.1038/natrevmats.2017.46.

通讯作者简介：

程虎虎博士研究方向主要为碳基、高分子多维度结构材料的构建，调控以及在能源存储，仿生能源转换等方面。

曲良体教授研究内容主要围绕碳基、高分子基纳微米材料开展研究，涉及碳纳米管、石墨烯、导电高分子等的可控制备、功能化修饰及其应用研究，包括功能结构与材料制备、先进能源器件、激光微纳制造等方面。

本文由材料人编辑部纳米组Mr_PSP供稿，材料牛整理编辑。

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