可折叠成盒状的石墨烯

材料牛注：以古代的折纸艺术为灵感，中国的科学家们研制出可预编程控制的石墨烯纸，该石墨烯可以自行折叠成盒子状，夹持器状，甚至制作可以行走的装置。

折叠和切割二维材料是制备复杂的三维结构材料的最简单的方法之一。石墨烯具有高强度和高韧性，同时兼具优异的化学稳定性以及良好的电性能，是非常理想的二维材料。

东华大学的王教授和张教授利用化学转变的方法，以纳米薄片石墨烯作为纳米尺度的构建模块来制备可自我折叠的石墨烯纸，他们制备出的石墨烯薄膜几乎是一张薄而韧的纸。

张教授的团队把制备出的石墨烯纸切割成不同的形状，当暴露在温和的光热条件下，石墨烯纸自行折叠成三维结构。这种折叠的方式可以被控制，所以通过控制石墨烯纸进行重复的展开和折叠，石墨烯纸可以模拟行走甚至是转弯。

这种自我折叠行为是由于石墨烯纸的结构变化导致的。石墨烯纸是由浓缩的氧化石墨烯(rGO)和聚多巴胺修饰的石墨烯氧化物层（PDA-GO）组成的,并且两种成分对水的敏感程度不同。PDA-rGO对水很敏感，遇到水分时会发生体积的变化，因此可以通过光照和温度对其体积变化加以控制。与此相反，GO对水是惰性的。利用两组分对水的敏感程度不同，科学家们制备出一种模型：通过膜辅助过滤和化学反应的手段，使线状PDA-rGO吸附在GO膜上。当暴露在湿气中，对水分不同程度的吸收/解吸收导致在PDA-rGO和GO区域出现膨胀和收缩的不匹配性，从而诱导体积发生弯曲（或伸直）变化。

科学家们研制出的可行走装置，是通过平行的线状PDA-rGO吸附在GO膜上的模型并通过近红外（NIR）激光来控制。当受到光照射时石墨烯纸伸直，当光熄灭时石墨烯纸折叠起来。通过巧妙的设计装置的形状，利用折叠和展开来让装置实现行走。仅照射可行走设备的一侧可以实现装置的转弯。

王教授解释道：“通过改变总压力的方向，石墨烯纸的运动可以被控制为前进，后退和转弯。我们已经可以控制石墨烯纸的移动、转弯、抓取、携带等动作”

这种制作简单的可移动装置可以对外界的刺激做出高效而快速的响应。经过重复的实验，可移动装置的性能几乎没有下降。

王教授说：“自我折叠石墨烯纸的研制可以攻克二维机器设备这一难题。与各式各样的自我折叠材料相比，石墨烯纸的结构和成分都非常简单。”

王教授认为随着这个概念的进一步发展，将会推动下一代工业机械执行器、无线遥控微型机器人、流体化学分析、组织工程和人工肌肉等自我折叠装置的发展。这项技术也可用作“智能”衣服和太阳能响应电池。

王教授说“我们的工作已经成功地克服了一些实际问题，包括稳定性差，非生理性的工作条件，以及传统的活性物质/执行器仍面临的复杂的制备技术等。”

随着今后进一步的研究，材料将会更便宜，程序会更简单，可以执行更复杂的任务，对外界刺激可以做出更快的响应。

原文参考网址

感谢材料人编辑部杨洪期提供素材