西北工業(yè)大學(xué)：3D打印石墨烯基超材料的最新發(fā)展和應(yīng)用

來源：材料分析與應(yīng)用

具有迷人性能和擴(kuò)展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的先進(jìn)功能材料大大拓寬了其應(yīng)用。超材料表現(xiàn)出前所未有的物理性質(zhì)（機(jī)械、電磁、聲學(xué)等），被認(rèn)為是物理學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)的前沿。隨著新興的3D打印技術(shù)，超材料的制造變得更加方便。石墨烯由于其優(yōu)異的比表面積、優(yōu)異的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和出色的機(jī)械性能，在現(xiàn)有超材料中增加多功能性以用于各種應(yīng)用方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

本文，西北工業(yè)大學(xué)官操教授課題組在《Small》期刊發(fā)表名為“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain”的論文，綜述旨在概述3D打印石墨烯基超材料的最新發(fā)展和應(yīng)用。首先綜述了不同類型超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和3D打印石墨烯基材料的制備策略。然后進(jìn)一步討論了3D打印石墨烯基超材料的代表性探索以及這種組合可以引入的多功能性。隨后，提出了挑戰(zhàn)和機(jī)遇，試圖指出3D打印石墨烯基超材料的未來方向。

圖1. 3D打印石墨烯基超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、打印方法和應(yīng)用示意圖

2.1 超材料的發(fā)展和分類
超材料一詞的前綴meta是一個(gè)希臘借詞，意思是超越，表示超材料的奇特特性。超材料可以定義為合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料，這些材料由量身定制的晶胞構(gòu)建，以實(shí)現(xiàn)前所未有的非自然特征。合理的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵方面。通過優(yōu)化晶胞的形狀、比例和方向，超材料與其他材料（如散裝材料、隨機(jī)泡沫和圖案材料）區(qū)分開來。這個(gè)有吸引力的概念顯示出通過調(diào)整內(nèi)部幾何形狀來調(diào)節(jié)材料特性的巨大潛力。本節(jié)討論的超材料的主要關(guān)注點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)不同物理性能的影響，而不考慮組成材料的因素。

超材料的研究在電化學(xué)能、生物醫(yī)學(xué)、航空航天和電子通信等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。電磁超材料開啟了超材料的研究，隨后是各種其他類型的超材料的發(fā)展，如機(jī)械、聲學(xué)和熱超材料。由于超材料的特殊性質(zhì)，它們顯示出巨大的應(yīng)用前景。例如，通過在石墨烯中引入負(fù)泊松結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了傳感器的應(yīng)用。EES器件可以引入最小的表面結(jié)構(gòu)，以提高器件的機(jī)械性能和電化學(xué)性能（能量密度和功率密度）。其他應(yīng)用包括但不限于電磁波吸收器和響應(yīng)式設(shè)備。

圖2. 機(jī)械超材料的超高強(qiáng)度/剛度重量比結(jié)構(gòu)

圖3. 電磁超材料的仿生結(jié)構(gòu)

2.2 3D打印石墨烯基材料
在討論了超材料的結(jié)構(gòu)因素之后，本節(jié)概述了3D打印石墨烯基材料的可行性。通過不斷的努力，研究人員已經(jīng)實(shí)施了多種制造方法來打印基于石墨烯的架構(gòu)。

圖4. 通過直接墨水書寫3D打印石墨烯

圖5. 通過熔融沉積建模3D打印石墨烯

2.3 獲得多功能性
超材料是合理設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)材料，使用定制單元來實(shí)現(xiàn)前所未有的功能（機(jī)械、電磁和聲學(xué)）。石墨烯在超材料中優(yōu)異性能的引入顯示出獲得多功能性的巨大前景，這有利于各種應(yīng)用。

圖6. 具有拉伸性的3D打印石墨烯超材料

圖7. 3D打印石墨烯超材料用于電池

小結(jié)與展望
本文綜述了3D打印石墨烯基超材料的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、3D打印石墨烯技術(shù)及其應(yīng)用。超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械超材料、電磁超材料和聲學(xué)超材料三類超材料的結(jié)構(gòu)，其中機(jī)械超材料的結(jié)構(gòu)分為超高強(qiáng)度/剛度重量比結(jié)構(gòu)、輔助結(jié)構(gòu)和五模結(jié)構(gòu)。為了通過3D打印構(gòu)建石墨烯基超材料，討論了三種不同的打印方法：DIW，F(xiàn)DM和光聚合。通過使用不同的策略，具有可調(diào)結(jié)構(gòu)特征的3D打印石墨烯基超材料在多個(gè)長度尺度上表現(xiàn)出增強(qiáng)的性能和多樣化的功能，并開始應(yīng)用于EES器件、響應(yīng)器件和電磁波吸收器。雖然3D打印石墨烯基超材料還處于早期階段，需要大量的努力和工作來提高石墨烯超材料的性能和開發(fā)其實(shí)際應(yīng)用。作者希望為3D打印石墨烯基超材料的未來發(fā)展提供一些啟示，并提出更多創(chuàng)新作品，以促進(jìn)實(shí)際應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息：https://doi.org/10.1002/smll.202207833