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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。

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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。

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