中科院蘇州納米所錢波團隊的郭浩等人提出一種3D打印層狀石墨烯氣凝膠的新策略。應(yīng)用3D打印定制的針對不同氧化石墨烯墨水的狹縫擠出頭，并在墨水中加入叔丁醇，抑制冰晶生長，最后應(yīng)用定制擠出頭3D打印制備得到層狀石墨烯氣凝膠，實現(xiàn)相比同類材料更高的電導率和電磁屏蔽性能，以及高靈敏壓阻傳感性能。
圖1 3D打印層狀石墨烯氣凝膠及其電磁屏蔽和壓力傳感特性
二維材料氣凝膠因其在電磁屏蔽、傳感器、柔性器件、超級電容器及油污吸附等方面的應(yīng)用吸引了人們廣泛的研究興趣。由于二維材料本身的各向異性特性，相比各向同性結(jié)構(gòu)，層狀二維材料氣凝膠在特定方向展示出優(yōu)異的機械、電子、熱性能。然而，目前制備層狀結(jié)構(gòu)二維材料氣凝膠的方法較少，比較常用的是定向冷凍方法，但該制備方法在尺寸和形狀上尚缺乏自由度，在性能上也仍有提升的空間。同時由于，二維材料分散液具有剪切變稀的特性，在剪切力的作用下，可以實現(xiàn)液晶形態(tài)的取向分布，如果能充分利用這一特性，將有望通過擠出裝置實現(xiàn)取向結(jié)構(gòu)二維材料氣凝膠的制備，從而提升樣品制備的自由度，并進一步提升材料性能。
中科院蘇州納米所錢波團隊的郭浩等人針對這一問題，提出一種3D打印層狀石墨烯氣凝膠的新策略。為充分利用氧化石墨烯墨水的剪切變稀特性，研究團隊根據(jù)不用配方墨水的剪切變稀特性定制設(shè)計并應(yīng)用摩方精密nanoArch S140高精度光固化3D打印機制備了可使對應(yīng)氧化石墨烯墨水實現(xiàn)長程有序液晶形態(tài)的狹縫擠出頭，狹縫尺寸50 μm，應(yīng)用該擠出頭在冷凍襯底上逐層3D打印相對應(yīng)墨水。由于氧化石墨烯水基墨水中的水在冷凍襯底上結(jié)晶生成大尺寸冰晶，這將破壞狹縫擠出氧化石墨烯的液晶形態(tài)，為解決這一問題，團隊通過調(diào)節(jié)叔丁醇在墨水中的含量，減小了冷凍襯底上冰晶生長的尺寸，從而降低了冷凍過程對于取向結(jié)構(gòu)的破壞，最終通過冷凍干燥和化學還原實現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu)石墨烯氣凝膠的制備。
圖2 根據(jù)墨水的流變性能設(shè)計并打印擠出頭
研究顯示，通過3D打印新策略制備的石墨烯氣凝膠的層狀結(jié)構(gòu)清晰。得益于該層狀結(jié)構(gòu)，本研究3D打印的石墨烯氣凝膠展示出比同類石墨烯氣凝膠更高的電導率（705.6 S m?1）、更高的電磁屏蔽性能（3 mm樣品在X波段可實現(xiàn)最高電磁屏蔽能效68.75 dB），并可實現(xiàn)高靈敏的壓阻傳感性能（清晰的語音和脈搏信號傳感分辨能力）。
圖3 通過墨水配方調(diào)控獲得良好層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯氣凝膠
圖4 3D打印層狀石墨烯氣凝膠的電導率和電磁屏蔽性能
圖5 3D打印層狀石墨烯氣凝膠的力學和傳感性能
研究者相信，此項研究將為具有剪切變稀性能的材料制備層狀取向結(jié)構(gòu)材料提供一條新的路徑，為納米材料通過3D打印有序可控組裝并實現(xiàn)更高的性能提供一個新的思路。相關(guān)論文在線發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》上。蘇州納米所郭浩為本文第一作者，錢波為本文通訊作者，蘇州大學石學軍為本文的軟件模擬提供了支持。
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