近日，美國(guó)萊斯大學(xué)的科學(xué)家們開發(fā)出一種由石墨烯泡沫制造三維導(dǎo)電物體的簡(jiǎn)單方法，為能量存儲(chǔ)和柔性電子傳感器等應(yīng)用帶來(lái)了新的可能性。

背景

如果說(shuō)有一種新材料極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命，那么許多人都會(huì)想到石墨烯。這種由單層碳原子組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，具有許多優(yōu)異的特性，例如輕薄、柔韌性好、輕度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性極佳等等。

作為時(shí)下非常熱門的新材料與新技術(shù)，筆者之前介紹過(guò)許多有關(guān)石墨烯的創(chuàng)新研究成果，涉及石墨烯的特性研究、制備方法、實(shí)際應(yīng)用等。

從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，石墨烯在柔性電子、高效晶體管、新型傳感器、新材料、電池、超級(jí)電容、半導(dǎo)體制造、新能源、通信、太赫茲技術(shù)、醫(yī)療、航天能源技術(shù)、分子電子等諸多領(lǐng)域都有著重要的價(jià)值，因此極具商業(yè)前景，也是全球各國(guó)都在著力研究的戰(zhàn)略性材料。

然而，通過(guò)低成本、易操作、高效率的制備方法制備出高質(zhì)量的石墨烯，對(duì)于石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常關(guān)鍵。例如，筆者曾經(jīng)介紹過(guò)“微流化法”、“爆炸法”、“激光誘導(dǎo)法”等制備方法。

今年2月份，筆者曾介紹過(guò)美國(guó)萊斯大學(xué)化學(xué)家James Tour 的實(shí)驗(yàn)室將激光誘導(dǎo)制備的石墨烯（LIG）“燒入”紙張、衣服、 煤炭和特定食物，甚至是吐司面包中。

（圖片來(lái)源： 萊斯大學(xué) / Jeff Fitlow）

將LIG圖案寫入目標(biāo)材料中，可作為超級(jí)電容、燃料電池的電催化劑、RFID天線、生物傳感器等使用。舉例來(lái)說(shuō)，LIG圖案可作為食品上的RFID標(biāo)簽，記錄食品生產(chǎn)地址、生產(chǎn)日期等信息；也可以作為傳感器，檢測(cè)食品中的大腸桿菌和其他微生物。此外，Tour 表示，柔性可穿戴電子器件將成為這項(xiàng)技術(shù)的早期市場(chǎng)應(yīng)用，例如將導(dǎo)電線放置到衣服中，可用于加熱衣服或者添加傳感器或?qū)щ妶D案。

（圖片來(lái)源： 萊斯大學(xué) / Jeff Fitlow）

創(chuàng)新

（圖片來(lái)源： 萊斯大學(xué)）

關(guān)于這項(xiàng)技術(shù)細(xì)節(jié)的論文發(fā)表在《先進(jìn)材料（Advanced Materials）》雜志。

技術(shù)

2014年，該實(shí)驗(yàn)室就曾通過(guò)激光加熱廉價(jià)的聚酰亞胺塑料板，首次制造出激光誘導(dǎo)石墨烯。激光燃燒掉大約一半的塑料，將其頂部轉(zhuǎn)化為互相連接的二維碳薄片，這種二維碳薄片仍然與底部的一半保持連接。LIG會(huì)在室溫下以宏觀圖案的形式制造出來(lái)。Tour 表示，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)將他們技術(shù)的拓展用于在木頭甚至食物上制造LIG，但是迄今為止還無(wú)法制造出純石墨烯制成的三維物體。

Tour表示：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)構(gòu)造出一個(gè)原型機(jī)器，通過(guò)自動(dòng)的連續(xù)分層和激光照射，將石墨烯泡沫制造成三維物體。這樣無(wú)需熔爐或者金屬晶體，真正地將石墨烯帶到了三維，而且我們的工藝很容易擴(kuò)展。”

（圖片來(lái)源： 萊斯大學(xué)）

（圖片來(lái)源： 萊斯大學(xué) / Tour Group）

Duy Xuan Luong表示，乙二醇粘合劑會(huì)在一個(gè)熱的盤子上被蒸發(fā)掉，任何剩余的聚酰亞胺都會(huì)在熔爐中被去除掉。這樣就剩下了原始狀態(tài)的海綿狀的碳?jí)K。萊斯實(shí)驗(yàn)室堆疊了多達(dá)5層的泡沫，然后采用在一個(gè)改良的三維打印機(jī)上的光纖激光系統(tǒng)，將碳?jí)K磨成復(fù)雜的形狀。

（圖片來(lái)源： 萊斯大學(xué) / Tour Group）

價(jià)值

實(shí)驗(yàn)室制作了概念驗(yàn)證階段的鋰離子電容器，它采用三維LIG作為陽(yáng)極和陰極。陽(yáng)極的質(zhì)量比容量是354毫安時(shí)每克，接近石墨的理論極限，而陰極的容量超越其他碳材料的平均容量。970次充放電循環(huán)之后，經(jīng)過(guò)完整測(cè)試，電池可以保持70%的容量。