您好 欢迎来到中国超硬材料网  | 免费注册
手机资讯手机资讯
官方微信官方微信
郑州华晶金刚石股份有限公司

美国研制出超薄热敏性自折叠3D石墨烯制备方法

关键词 石墨烯 , 3D|2018-01-15 09:57:28
摘要 由于石墨烯等2D材料具有广泛相关的独特物理和化学性质,在柔性电子学、能量转换和存储、等离子体以及传感器中应用前景可观,目前已被广泛研究,但大部分研究工作都是基于这些2D材料处于固有...

       由于石墨烯等2D材料具有广泛相关的独特物理和化学性质,在柔性电子学、能量转换和存储、等离子体以及传感器中应用前景可观,目前已被广泛研究,但大部分研究工作都是基于这些2D材料处于固有平面几何形状的。然而,具有小型化特点的弯曲和折叠结构可以为诸如可穿戴电子设备、生物或可分散传感器、致动器等带来巨大应用前景。此外,有人提出这些2D材料的物理和化学特性可能会受到曲率,褶皱和折痕的强烈影响。

       通常的技术手段通过弯曲,起皱或折叠将这些原子平面材料转变成3D几何形状,可以显著改变它们的性质并产生新颖的结构和外形紧凑的设备,目前关于石墨烯折叠或起皱的研究主要利用石墨烯的原子级厚度和极低的弯曲刚度。例如,在强烈的机械外力下,或是在生长、转移期间使用弯曲的模板都可以使悬浮的石墨烯片折叠。另外,还有研究使用界面张力和预张拉或厚梯度交联的聚合物-石墨烯双层结构来实现起皱、折叠石墨烯。但是这些方法形成的三维几何结构的精度和可调谐性都很有限,而且由于其依赖于厚基底或多层结构,这需要苛刻的条件并会显著增厚折叠的石墨烯。

       理论研究表明,这种折叠可以被精确地控制,从而产生新颖的三维几何结构。然而,受外部环境刺激(如与生物系统相容的温度)控制的自我折叠目前还没有得到验证。这种受控的自我折叠是非常难以用原始石墨烯实现的,因为石墨烯本身的化学性质非常稳定。因此,石墨烯的表面官能化是必要的,同时保留石墨烯的sp2杂化和优异的内在电性质也是很重要的。

       近日,美国约翰斯·霍普金斯大学研制出一种制备超薄热敏性自折叠3D石墨烯的制备方法。将单层石墨烯折叠和展开为预先设计的有序3D结构。该方法使用聚多巴胺,以非共价方式将石墨烯表面官能化。官能化石墨烯经过光刻图案化和自折叠成有序的三维结构,此过程完全受温度控制,且变形可逆。该结构通过光谱和显微镜来表征,使自折叠使用多尺度分子动力学模型合理化。该项研究为设计和制造具有可预测形状和动力学的有序3D石墨烯结构提供了潜力。研究人员表示可用该技术封存活细胞、建立非线性电阻以及为晶体管器件增加褶皱

       研究人员通过修改石墨烯的表面,赋予它热敏性,并将官能化的石墨烯图案化成超薄自我折叠的前体。

微信图片_20180115095650.jpg

单层石墨烯的表面官能化和图案化

       首先,使用一种生物粘附剂—聚多巴胺(PD),使石墨烯以非共价方式实现表面官能化。由于其对邻苯二酚/醌基团的反应性,PD还能够进行多种化学反应以进行随后的官能化,因此本研究中使用的聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)等响应性聚合物可以进一步接枝到表面。之后,使用光刻和等离子蚀刻将官能化的单层石墨烯图案化为各种尺寸和形状。最后,从基底释放官能化的石墨烯图案,并且在加热PNIPAM的较低临界溶解温度(LCST)以上时,2D前驱体自身折叠成有序3D微结构,这是由接枝聚合物刷的分子构象变化引起的。官能化的石墨烯非常薄,在5nm到10nm范围内。此外,非共价键方法保留了石墨烯的固有性质和低弯曲刚度。通过使用计算机辅助设计光掩模板可以有效控制2D前驱体的形状,达到形状可调的效果。

       这种新方法具有两大优势,其一,能避免之前工艺中出现的石墨烯特性受损,折叠过程可完全保留石墨烯的导电导热等性能;其二,3D形状内的折痕可形成能量带隙,进一步提高石墨烯的导电性能。该超薄热敏性自折叠3D石墨烯可用于制造可折叠电子器件,以及生物传感和分子机器人中相关的一系列3D碳结构。

  ① 凡本网注明"来源:中国超硬材料网"的所有作品,均为河南远发信息技术有限公司合法拥有版权或有权使用的作品,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明"来源:中国超硬材料网"。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。
② 凡本网注明"来源:XXX(非中国超硬材料网)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在30日内进行。
※ 联系电话:0371-67667020

延伸推荐

宁波成功研发新型“石墨烯改性重防腐涂料”

近日,由国网宁波供电公司与中科院宁波材料技术与工程研究所联合研发的新型“石墨烯重防腐涂料”项目验收会在宁波召开,十余位国内知名专家到场。  据介绍,该项目通过对涂料的改良,为身处沿...

日期 2018-11-05   超硬新闻

石墨烯产业期待去伪存真

近日,因石墨烯而获得诺贝尔奖的英国曼彻斯特大学教授康斯坦丁·诺肖沃夫,和新加坡国立大学教授安东尼奥·尼托在《先进材料》上发文表示,他们对来自美洲、亚洲和...

日期 2018-10-17   超硬新闻

福特利用石墨烯材料降低发动机噪音

石墨烯(Graphene)其实就是单层石墨,强度大(比钢强200倍)且导电性优。据外媒报道,福特宣布将在福特F-150皮卡车和福特野马(FordMustang)等乘用车的引擎盖下使...

日期 2018-10-11   超硬新闻

新款千瓦级石墨烯基铝空气电池可攻克热逃逸难题

据外媒报道,金属-空气电池(Metal-airbatteries)已引起了业内的特别关注,因为其能量密度高、装配成本低、环保、无毒性、使用寿命长、放电时...

日期 2018-10-09   超硬新闻

3D打印金刚石工具:面向陶瓷牙齿成型,河南理工大学新...

目前,陶瓷牙齿制造中存在粘结强度弱、使用寿命短等技术瓶颈,且成型陶瓷牙齿用金刚石工具中金刚石分布不均,致使陶瓷牙齿质量保障受限。近日,河南理工大学采用3...

日期 2018-10-09   超硬新闻

Nature子刊:石墨烯特殊装置将中红外光转换为电信...

一个研究小组开发了一种装置,可以利用石墨烯材料来检测中红外光,并在室温下有效地将其转换成电信号。这是一个突破,可能会带来更好的通信系统,热成像仪以及其他...

日期 2018-09-25   国际资讯

在3D打印高分子线材中加入纳米金刚石,打印速度可达5...

2018年9月13日,南极熊从外媒获悉,VTT和总部位于赫尔辛基的Carbodeon公司开发了一种名为uDiamond®的塑料线材,适用于消费和工业用途,可实现更快的3D打印并提高...

日期 2018-09-14   超硬新闻

工信部刊文:探讨石墨烯新材料发展现状与研发应用挑战

我国石墨烯产业的专利虽然众多,但是超过四分之三的专利来自于学术机构,企业在石墨烯研发方面的参与度还有待进一步提高,高价值专利不多,技术与市场之间的供需还...

日期 2018-09-11   超硬新闻

石墨烯行业应用潜力广泛 有望催生万亿元级新市场

来自美国得克萨斯大学和韩国首尔国立大学的研究人员利用石墨烯、二硫化钼、黄金、氧化铝和硝酸硅的组合,构造了一种比现有模型更好的人工视网膜。  据中国矿业报9月4日消息,尽管这项研究还...

日期 2018-09-05   超硬新闻

石墨烯应用放量,未来将带动万亿级下游市场!

随着产业技术的不断突破及下游端各类应用的持续开发,石墨烯材料商业化应用进程也将持续提速。未来石墨烯市场前景巨大,有望催生万亿级新市场。中国石墨烯产业联盟...

日期 2018-08-29   超硬新闻
河南联合精密材料股份有限公司