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碳纳米结构智能驱动材料领域取得新进展

发布日期: 2017-05-18 来源:中国科学院网站 字号: [ 大 中 小 ]

    碳管、石墨烯是有着特殊结构与性质的一维、二维纳米材料，具有优异的各向异性电、力、热学特性。因而，获得宏观碳管/石墨烯多维有序结构将会更大限度地发挥碳纳米结构材料的优异性能，是高性能复合材料与器件研究的重要物质基础。

    中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所陈韦课题组在碳管/石墨烯高浓度分散及液晶性取向结构调控研究的基础上（ACS NANO, 2010, 4, 1042），成功发展了高性能碳管和石墨烯柔性电极材料，重点研究了天然生物高分子/碳管/离子液体“三明治”复合结构的新型驱动器，同时实现了生物相容性、空气低压（<3v)稳定电致伸缩、类天然肌肉驱动特性（Adv. Mater., 2010, 22, 3745)；重点研究并获得了在离子液体分散和预膨胀下平行取向石墨烯片层结构的电化学驱动，实现高达98%的应变驱动（Chem. Commun., 2012, 48, 3978)。

    在此基础上，近期该课题组进一步发展了基于碳管/石墨烯三维全碳电极的离子型电化学驱动器，旨在同时发挥一维碳管、二维石墨烯在智能驱动中的应力应变增强效应。研究发现，氧化石墨烯在保留疏水大π键结构同时，表面具有大量亲水含氧极性基团，具有表面活性剂的一般特性。利用该特性，研究人员成功实现了氧化石墨烯高效分散碳纳米管，并在接下来的化学还原过程中有效利用π-π作用，既避免了石墨烯的restacking，又形成稳定的全碳纳米结构3D多孔网络，微观表征如图一所示。

    研究证实，所制得双晶片结构驱动器表现出高度的驱动稳定性，经过高达百万次的测试没有明显的衰退，而碳管则出现40%的衰退。研究人员认为，在含有石墨烯的3D电极材料中，内部结合是通过面接触利用分子间作用力获得稳定结构，纯碳管电极则只是网络状点接触来实现，面接触的稳定性显然高于点接触，网络结构具有更紧密结构，不容易在充放电过程中发生不可逆的破坏，如图二所示。

    3D碳纳米结构高度稳定的电学、电化学、力学性质和丰富的表面功能化途径，表现出在仿生智能材料器件等领域的明显优势，使其在仿生机器人、微流控、微医疗器械、航天航空、微纳光机电等方面具有广阔应用前景。该工作已在Adv. Mater.上在线发表 (原文链接)。

    此工作得到了国家自然科学基金委、科技部以及江苏省自然科学基金委的大力支持。

图一、A为石墨烯分散碳纳米管的透射电子显微镜照片；B为杂化材料的扫描电子显微镜照片

图二、A为驱动器电化学驱动循环测试稳定性；B为电极材料内部结构示意图

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