武汉理工大学梅启林/丁国民Advanced Materials卷首插画论文：多元溶剂辅助实现石墨烯自组装膜的自发分离与超灵敏扰动传感
一、 【导读】
超薄石墨烯宏观膜由于高模量、高传导等优异特性，在纳米机械传感器、导热导电材料、选择性渗透膜和储能等领域展现出广阔的应用前景。凭借工艺简单、适用性强和易调控的优势，以氧化石墨烯（GO）为原料的气—液界面自组装技术被认为是最具推广价值的石墨烯薄膜批量制备方法。而在传统的水溶液体系内，GO纳米片会大幅去质子化，这虽然保证了GO在水中的分散性，但会导致纳米片间产生静电排斥作用，从而严重降低GO在气—液界面的自组装能力。此外，天然的低强度导致石墨烯超薄膜在自组装制备过程中，尤其是在复杂的膜转移阶段极易破损，严重限制了现今纳米厚度石墨烯薄膜的尺寸。而利用基底或与其它材料复合以提高薄膜完整性的常规方法，不但会降低石墨烯本身传导性，而且会导致薄膜变形能力变差，大大减弱了其应用优势。因此，如何解决GO纳米片低去质子化和高分散之间的矛盾，并摆脱膜转移工艺的限制是石墨烯薄膜制备研究中亟需解决的关键科学问题。
二、【成果掠影】
近日，武汉理工大学梅启林教授、丁国民副研究员通过多元溶剂复配在GO自组装过程中引入超分子团簇和弱极性效应，同时实现了GO的低去质子化和良好分散性，从而显著提高了GO纳米片的自组装能力，最短组装成膜时间仅需52秒，且成膜温度最低可达-20℃。更为重要的是，该研究显著降低了GO薄膜与溶液间的吸引力，首次实现了GO薄膜与溶液的自发分离，最终在无需膜转移工艺、无需支撑衬底的情况下获得了纳米级厚度、厘米级尺寸的气浮石墨烯薄膜（AGF）。基于此超薄气浮石墨烯膜，研究团队进一步开发了一种机械传感器（AGIS），其在微小温度变化和气流扰动检测方面表现出快速的响应速度和超高的灵敏度。此项研究为石墨烯宏观膜的大面积制备提供了一种新的理论和方法，其成果气浮石墨烯薄膜在纳米机械传感器中具有显著的应用优势。
相关工作以“Enhanced Self–Assembly and Spontaneous Separation for Ultrathin, Air‒Floating Graphene Macrofilms and their Application in Ultrasensitive In-Site Growth Sensors”为题发表在材料领域国际顶级期刊《Advanced Materials》上，并被评选为卷首插画论文（Frontispiece）。文章第一作者为武汉理工大学材料科学与工程学院丁国民副研究员，梅启林教授、丁国民副研究员担任论文通讯作者，武汉理工大学为论文唯一署名单位。该项研究受到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金以及武汉理工大学自主创新基金等支持。
三、【数据概览】
图1 增强GO界面自组装和GO薄膜自发分离。（a，b）GO在不同多元溶液表面的成膜过程；（c）GO薄膜在多元溶液表面的自发分离过程；（d）利用多元溶液一次性制备多层GO自组装膜的照片；（e）通过显微镜观察GO在界面处的自组装过程；（f）界面处GO薄膜的受力情况分析；（g）界面处GO薄膜受力大小变化（h）-20℃下自组装形成的气浮GO薄膜。
图2 气浮GO薄膜的结构表征。（a-c）不同溶液自组装得到的气浮GO薄膜的表面与截面SEM图；（d）不同气浮GO薄膜的XRD图谱；（e）不同AGF的表面电阻与体积电阻（厚度方向）；（f）气浮GO薄膜的原子力显微镜照片；（g）不同形状的AGF。
图3 基于AGF原位生长的纳米机械传感器AGIS。（a）不同大小AGIS对气流扰动的感知；（b）AGIS感知气流扰动的机理示意图；（c）AGIS对行人经过时的感知功能；（d）AGIS对超轻蒲公英降落过程的感知；（e）超轻蒲公英在AGIS上的降落过程。
四、【成果启示】
综上，该研究通过引入具有超分子团簇和弱极性的多元溶剂来提高GO的自组装能力，显著降低了自组装薄膜与溶液之间的吸引力，进而实现了薄膜与溶液的自发分离，获得了结构可控、形状可调的气浮石墨烯薄膜。并利用此自发分离行为，制备了超灵敏原位生长纳米机械传感器。基于以上研究与结论，该成果为纳米材料构建超薄宏观膜的制备和调控提供了新的理论和策略。通过这种技术，有望制得基于不同纳米材料的气浮宏观膜，如碳纳米管、纳米纤维素和MXene超薄膜，进而拓展纳米膜材料在智能传感方面的应用。
文章评论(0)