中國粉體網(wǎng)訊 對于普通材料來說，兩個物體一旦融合就難以復原，即便分開也不再是原來的兩個物體。然而，經(jīng)過4年的研究，浙江大學高分子科學與工程學系教授高超課題組發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯片具有適應性形變的能力，氧化石墨烯纖維在宏觀尺度上能夠在融合之后實現(xiàn)精確可逆的分裂，好比是自帶了一個“返回鍵”。這項成果將對未來精確可逆的組裝產(chǎn)生積極影響。5月7日，這項成果在《科學》發(fā)表。
高超表示，相比于已有的研究，課題組此次完成的氧化石墨烯基纖維精確可逆的融合-分裂過程是可控的，而且材料尺寸大，對于固體在可逆組裝過程中界面的獨特現(xiàn)象、材料的有效回收和重復利用等方面具有啟發(fā)意義。
現(xiàn)實生活中，每一個固體單元都有自己的特定形狀和尺寸，多個固體融合在一起組裝成一個整體不難，但是結(jié)合越緊密往往分離就越難。因此無法通過分離再另外組裝成別的形式的整體。
早前，科學家從細胞的融合與分裂中獲得靈感，仿生設計了功能性的組裝體，比如聚合物囊泡在光或熱的刺激下，能夠?qū)崿F(xiàn)融合或?qū)崿F(xiàn)融合與分裂，希望可以應用在藥物的遞送與釋放等領(lǐng)域，但是在融合與分裂的“可逆”這一環(huán)節(jié)遇到了阻礙。
而高超課題組卻發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯纖維挑戰(zhàn)了人們的一般認知，能夠在厘米級的宏觀尺度下，變形組裝并且解組裝復原。他們將13500根氧化石墨烯纖維做成的一根剛性柱子，變成一張節(jié)點融合的柔性網(wǎng)，把實驗過程顛倒過來后，網(wǎng)又重新變回了柱子。
“這個過程當中，組成柱子和網(wǎng)的氧化石墨烯纖維并沒有發(fā)生變化。這項研究實現(xiàn)了氧化石墨烯宏觀固體材料精確可逆的組裝。”高超說。
為什么氧化石墨烯能做到精確可逆?這與材料本身的特性有關(guān)。高超課題組一直致力于石墨烯宏觀組裝的研究。早在2016年，課題組就發(fā)現(xiàn)，二維的氧化石墨烯片具有適應性形變的特點，可以完成融合。之前他們就利用氧化石墨烯纖維的溶脹融合成了無紡布。
那么，氧化石墨烯纖維融合后還能再分裂嗎?
課題組研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯自身帶有特殊的性質(zhì)，即二維拓撲、豐富的含氧官能團、超柔性、自粘接，多根氧化石墨烯纖維融合后的粗纖維密度大、孔隙率少、界面結(jié)合適中，“這就使得材料的親和力剛剛好，能夠很容易地融合到一起，但結(jié)合力又不像鋼那樣強，所以還能分得開�！备叱f。
實驗中，課題組先把13500根氧化石墨烯纖維融合成一根直徑1.2毫米的細長黑柱子，這些黑柱子可以承受680倍自身重量的力，然后把黑柱子放到水溶劑中解離再分裂，這時粗柱子就變成13500條纖維。論文第一作者、浙江大學高分子系的暢丹說：“這個過程中，氧化石墨烯的體積膨脹率達到了近40倍，提供了充分的表面形變的空間。”
在溶劑中纖維變軟了，就可以拿出來編織成節(jié)點融合的網(wǎng)，而且這張網(wǎng)仍然保持了一定的強度，上面放輛玩具車完全沒有問題。也就是說這些纖維再融合之后依然能作為功能材料來使用。
在復原環(huán)節(jié)，課題組把這張網(wǎng)再放回水溶劑，網(wǎng)重新分解成13500條纖維，撈出來之后它們會自動融合在一起，最終又變回了之前的柱子形狀。
氧化石墨烯纖維精確可逆的融合與分裂示意圖
那怎么證明這13500條纖維還是原先的那13500條纖維呢?課題組通過熒光染料及硅納米顆粒彩色標記的方式證明了每一條纖維的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，確實是“我是我”“他是他”，纖維里面的成分沒有在多次融合-分裂后互相“串門”。
神奇的還不止這些。氧化石墨烯纖維的這種特殊屬性還能應用到別的材料上。
課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，如果在尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維等有機高分子、天然高分子、金屬、無機非金屬纖維的表面涂上一層氧化石墨烯，原有的這些普通材料也能夠具有“組裝-精確還原”的功能。
論文評審專家認為：“該工作代表著可回收及智能纖維材料領(lǐng)域的一個突破。結(jié)果具有科學價值，可能引起跨多個研究領(lǐng)域的興趣�！�
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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