最近，曲良體課題組發(fā)明了一種氣泡-冰晶雙模板輔助溶膠-凝膠法，成功制備了一種具有優(yōu)異塑性變形能力的石墨烯水凝膠，并且該水凝膠可以常壓干燥得到氣凝膠。研究者發(fā)現(xiàn)，將多個這種水凝膠“磚”在濕態(tài)下壓縮組裝，彼此間緊密排列，自然晾干后即可得到一體化的石墨烯氣凝膠“墻”甚至“房子”，不會變形收縮。并且，通過增大壓縮程度，可以顯著提高該材料的極限壓縮強度，最高可達47Mpa，而壓縮回彈性幾乎不會損失，可恢復應變高達97%，解決了高強度和超彈性不能兼?zhèn)涞膯栴}。

該方法具有很高的靈活性，通過控制壓縮程度即可調控氣凝膠材料的多種性質，解決了該材料難以大面積制備的關鍵問題，有望實現(xiàn)石墨烯氣凝膠在建筑、交通工具、航空航天等領域的廣泛應用。該工作以題為“Superplastic Air-Dryable Graphene Hydrogels for Wet-Press Assembly of Ultrastrong Superelastic Aerogels with Infnite Macroscale”發(fā)表在國際重要期刊《Advanced Functional Materials》上，第一作者為北京理工大學博士研究生楊洪生。

圖b 為石墨烯水凝膠“磚”壓縮組裝、常壓干燥制備氣凝膠“墻”的過程。圖e 為搭建的一體化石墨烯氣凝膠“房子”。

圖c 為超彈性、可常壓干燥石墨烯水凝膠的制備過程及原理。圖d-f 為該水凝膠壓縮前后的宏觀照片及微觀結構。

如上圖c所示，氧化石墨烯溶液中加入表面活性劑快速攪拌，引入了大量的微米氣泡，促使氧化石墨烯以該氣泡為模板進行自組裝，獲得了各向同性的類球形大尺寸泡孔；再通過引入一步冷凍-融化過程，利用冰晶對閉合的泡孔進行打洞，使形成相互連通的孔道，有利于內部的氣泡和溶液擠出，如上圖e；最終得到了各向同性且相互連通的大尺寸泡孔結構，如上圖d。正是這種精心設計的微觀結構賦予了該水凝膠優(yōu)異的塑性變形能力和可常壓干燥能力。

圖a揭示了組裝過程中水凝膠之間界面的演變過程。圖b為組裝氣凝膠界面的掃描電鏡照片。

 如上圖所示，研究者發(fā)現(xiàn)，通過壓縮可以使水凝膠之間的界面變得緊密，并且常壓干燥過程中，毛細收縮力會進一步壓緊界面，使石墨烯片層之間緊密排列，產生了較強的π-π相互作用，氣凝膠之間形成很強的結合力，成為了一個整體。

圖a 表明阻燃劑改性的組裝氣凝膠具有優(yōu)異的阻燃隔熱能力，可以保護紙飛機不燃燒達10分鐘。圖c，圖d表明了組裝氣凝膠具有很好的回彈性和強度。

圖a-i表明通過控制壓縮程度，即可在較寬的范圍內相對精確地調控氣凝膠材料的多種性質，包括壓縮強度、平均孔徑、材料密度及導電性。

該組裝氣凝膠具有突出的阻燃隔熱能力，優(yōu)異的壓縮回彈性，可控的壓縮強度、密度、導電性。該工作最大的意義是，使多功能的石墨烯氣凝膠具有了不限的宏觀尺寸、多樣的宏觀結構、豐富的性能選擇，并且方法簡單、高效，有望實現(xiàn)石墨烯氣凝膠材料的大規(guī)模應用。

參考文獻：Yang,H.; Li, Z.; Sun, G.; Jin, X.; Lu, B.; Zhang, P.; Lin, T.; Qu, L., Adv. Funct.Mater. 2019, 1901917.