《ACS Omega》：光固化制備氧化石墨烯液態(tài)晶體

導(dǎo)讀：石墨烯是已知最強(qiáng)的材料。然而，將這種強(qiáng)度從微觀層面轉(zhuǎn)化為更有實(shí)用價(jià)值的宏觀層面的挑戰(zhàn)仍然沒有實(shí)現(xiàn)。從氧化石墨烯液晶中制備固體結(jié)構(gòu)，可以制造出具有優(yōu)良機(jī)械性能的紙張和纖維。傳統(tǒng)上通常使用真空過濾、濕法紡絲和冷凍干燥技術(shù)進(jìn)行此結(jié)構(gòu)。現(xiàn)在3D打印技術(shù)也能用于制造氧化石墨烯液晶固體結(jié)構(gòu)了，而且獲得的強(qiáng)度水平極高，如果你感興趣，就跟隨南極熊一起看下去吧！

2022年6月28日，南極熊獲悉，來自蒙特利爾康考迪亞大學(xué)的研究人員正在探索氧化石墨烯液晶的光固化3D打印技術(shù)，以使材料具有前所未有的強(qiáng)度水平。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在 《ACS Omega》期刊上，題目為《Photocuring Graphene Oxide Liquid Crystals for High-Strength
Structural Materials》（《光固化氧化石墨烯液態(tài)晶體用于制備高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料》）。


十多年來，石墨烯一直成為頭條新聞，它是有望解決許多工程挑戰(zhàn)的神奇材料之一。該材料具有高強(qiáng)度重量比、出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性、耐腐蝕性和耐磨性。但是很遺憾，人們還沒有能夠?qū)⑹�墨烯用于�?shí)際應(yīng)用的能力，這也是許多研究人員一直研究的重點(diǎn)。

南極熊獲悉，Concordia團(tuán)隊(duì)現(xiàn)正在使用光固化技術(shù)生產(chǎn)自組裝氧化石墨烯結(jié)構(gòu)。他們所制備的氧化石墨烯片的尺寸很大，而且十分復(fù)雜。


△通過光固化生產(chǎn)的大型氧化石墨烯片

石墨烯——已知最強(qiáng)的材料
Novoselov等人于2004年發(fā)現(xiàn)了石墨烯，并因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯只有一個(gè)原子厚，比人的頭發(fā)細(xì)大約一百萬倍，但楊氏模量為1TPa，抗拉強(qiáng)度130GPa, 這是迄今為止已知的最強(qiáng)材料。

將氧化石墨烯片自組裝成液晶是一種有前景的方法，因?yàn)檫@些從這些液晶中可以制備所需的宏觀結(jié)構(gòu)。到目前為止，已經(jīng)產(chǎn)生了大量的宏觀（盡管很�。┑慕Y(jié)構(gòu)，例如紙、纖維和氣凝膠。有許多生產(chǎn)這些結(jié)構(gòu)的方法，包括濕紡、冷凍干燥和真空過濾。雖然這些方法可以保持液晶相中的有序結(jié)構(gòu)，但用這些方法產(chǎn)生的固體結(jié)構(gòu)的厚度和復(fù)雜性都會(huì)受到限制。


△各種氧化石墨烯片的 SEM 成像。

光固化打印
為了解決傳統(tǒng)制造的局限性，Concordia團(tuán)隊(duì)選擇了光固化技術(shù)。為了制備氧化石墨烯片，他們首先將石墨烯分散在酒精中，并混合在一種市售的光引發(fā)劑中，與目前許多3D打印樹脂中使用的光引發(fā)劑相同。


△打印材料制備過程

研究人員發(fā)現(xiàn)，利用紫外線將石墨烯從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，他們可以成功地將所得混合物固化成氧化石墨烯薄片。研究人員還對(duì)新型光固化氧化石墨烯紙進(jìn)行了拉伸測(cè)試，結(jié)果表明其機(jī)械性能與通過常規(guī)真空過濾制備的基準(zhǔn)氧化石墨烯紙相當(dāng)。


△拉伸測(cè)試

展望


研究人員證明了利用光固化制備氧化石墨烯液晶是可行的。與目前的真空過濾或濕紡等方法相比，光固化氧化石墨烯液晶可實(shí)現(xiàn)更厚且可能更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。Concordia 團(tuán)隊(duì)希望將這種方法應(yīng)用于全尺寸立體光刻3D打印，以期制造出由石墨烯制成的大型 3D 結(jié)構(gòu)。

原文鏈接:https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02084