一种力学性能异常的双结构石墨烯超材料

通常，固体材料在垂直方向拉伸时表现为横向收缩，在压缩条件下表现为横向膨胀。然而，当柔性石墨烯纳米片组装成三维(3D)多孔结构时，微纳米片的取向排列带来的定向变形可能会导致异常的力学性能。

　　近日，哈工大李宜彬教授，兰州大学张强强教授通过控制原位冷冻铸造过程中冰生长的温度梯度，组装了一种具有双结构形貌的三维（3D）分层石墨烯超材料（GTM）。

文章要点：

1）GTM表现出异常的各向异性压缩性能，具有可编程的泊松比（PR）和沿不同方向改善的力学性能（例如，弹性、强度、模量和抗疲劳性）。

2）由于设计的二维（2D）石墨烯薄片的三相变形（弹性弯曲、平面外屈曲和大挠度）作为微观尺度上的基本单元，孪晶结构GTM具有明显的压缩曲线特征和明显的应力平台，并呈强化趋势。这种多尺度变形行为有利于提高大压缩下的能量损失系数。

3）研究人员建立了基于有限元理论的数值模型，对结构设计进行了优化，验证了多尺度可调PR机制和定向结构演化。GTM的力学和热学应用表明，超结构的合理操纵驱动设计为探索性能异常的石墨烯基多功能材料铺平了道路。

参考文献：

Zaishan Lin, et al, Twin-structured Graphene Metamaterials with Anomalous Mechanical Properties, Adv. Mater. 2022

DOI: 10.1002/adma.202200444

https://doi.org/10.1002/adma.202200444

信息来源：公众号【半导体技术情报】

氧化石墨烯：

氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，一般用GO表示，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。

氧化石墨烯薄片是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，氧化石墨烯是单一的原子层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米。因此，其结构跨越了一般化学和材料科学的典型尺度。氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，因为其在水中具有优越的分散性，但是，相关实验结果显示，氧化石墨烯实际上具有两亲性，从石墨烯薄片边缘到中央呈现亲水至疏水的性质分布。因此，氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量。其亲水性被广泛认知。