纵观人类哄骗材料的史册，每一种紧要新材料的发掘和运用，都市给社会临盆力和人类生存带来庞大改革，把人类物资文化推向一个更高水准。新材料技艺是每个功夫产业革新和资产进展的先河。比如：18世纪产业革新，钢铁新材料的进展为蒸汽机的首创和运用奠基了物资底子；20世纪中世，单晶硅新材料对电子技艺的首创和运用起了中心效用。况且新材料也与咱们的常日生存息息联系，大到航天航空、高铁火车，小到智能家居、电子产物，新材料实实到处转变着咱们的生存方法。也许说，新材料决计了来日科技的进展趋向。十二五以来，咱们国度已将新材料资产列为国度新兴兵法性资产之一。
投入二十一生纪以来，一些极具潜力的新材料曾经出现头角，包含石墨烯、碳纳米管、气凝胶、富勒烯、非金合金、超导材料、超材料、离子液体、3D打印材料和泡沫金属等。当按照这些新材料自己特色和运用途景而拟订进展特定的道路时，是不是联想过一些新材料可集“百家”之长？本日的主人翁——三维石墨烯材料，就同时波及到石墨烯和睦凝胶两大新材料。
二维石墨烯与气凝胶
名闻遐迩的石墨烯材料是碳元素众人庭的紧要成员。碳元素的同素异形骸有金刚石和石墨，即便一样是由简单碳元素构成，但由于原子分列方法的不同，孕育一些物理性质差别庞大。明亮的金刚石是天然界最硬的材料，况且导热最好但电子绝缘；而黑色的石墨质软，导电性精良但笔直方位导热差。将层状石墨停止单层剥离也许得到厚度不到1nm的二维石墨烯，它是全部sp2布局碳材料的最根本单位。卓越柔韧性的石墨烯也许围成零维布局的C60材料，又称足球烯（年被HaroldW.Kroto传授等人发掘，于年得到诺贝尔奖）；也也许弯曲成一维布局的碳纳米管（年被日本科学家SumioIijima传授发掘）。而石墨烯是在年由英国AndreGeim和KonstantinNovoselov两位科学家发掘并制备，并在年得到诺贝尔奖。年华夏年青科学家曹元采取两片石墨烯经过歪曲确定角度得到魔角石墨烯，初度发掘石墨烯的超导个性。
图1碳元素的同素异形骸：金刚石（左）和石墨（右）（图片来自网络）
从层状石墨剥离出二维石墨烯的同时，也带给了石墨烯很多怪异的物理机能。石墨烯具备卓越的电性机能，高载流子迁徙率为硅的倍，况且也许经受的电流密度为铜的一百万倍，是以若用石墨烯做为导线，就不必再耽心呈现导线熔断的题目了；超导个性，两片石墨烯经过歪曲1.1°停止堆垛，便可完成超导个性；超高力学个性，力学强度为GPa，为钢的倍；精良热导率，可达W/mk，是铜的10倍；卓越透光性，透过率达97.7%（家用玻璃寻常不过85%左右）；超高比表面积，可达m2/g。
图2二维石墨烯及其布局演化的碳材料（图片来自网络）
气凝胶（aerogel）是指三维空间网状布局中填充气体介质的凝胶，一种固体物资状况，也称干凝胶。意思的是，英文字面翻译的道理是也许航行的凝胶。这响应出其超轻（密度小）的特色，咱们也可称之为超轻材料。罕见的气凝胶为美国科学家StevenS.Kistler在年首创出来的硅气凝胶，首要成份是二氧化硅。其密度仅为3mg/cm3，这比泡沫塑料还要轻倍。由于气凝胶中寻常80%以上体积是空气填充，因此具备特别好的隔热功效。只是一寸厚的气凝胶便可抵达20至30块普遍玻璃的隔热功效。其余，硅气凝胶还凭仗超疏水个性，具备自纯洁的成效。
图3气凝胶及其三维布局示企图（图片来自网络）
然而，硅气凝胶的脆性布局，弹性/韧性不够，成为其致命题目而束缚了后续的运用。针对这个题目，协商人员研发出了不同种材质的气凝胶材料。美国休斯实践室与波音公司配合开垦出具备周期布局的微格气凝胶新材料（图4），它的构成部份包含金属和高达99.99%的空气，是迄今为止全国上最轻的金属材料，乃至也许安置在一朵蒲公英上。别的，它还具备确定的弹性和韧性且强度较高，况且具备超等高能量摄取才能而起到缓冲的效用：在幻想状况下，将一枚鸡蛋包裹在微格气凝胶中，纵然从25层高楼扔下也不会致使鸡蛋破坏。但理论上，微格气凝胶的收缩经过中力学机能衰减严峻，板滞褂讪性较差，范围化制备也对比艰苦，运用碰到确定瓶颈。
图4微格气凝胶（图片来自网络）
三维石墨烯的制备与运用
目前赐与厚望的是采取机能卓越的石墨烯材料修建三维布局的石墨烯气凝胶，使其兼具超轻、超弹、高板滞强度、高导电等个性。那末应当何如修建如斯卓越机能的三维石墨烯气凝胶？首先，保证高品质二维石墨烯材料的可控成长，削减弊病，坚持六边格子完好，晋升层数平均性；其次，思索布局单位般配，断定采取片状布局、管状布局，或许棒状布局的般配；还要思索布局单位的连合方法，优化连合强度及单位连合数；着末以理论运用思索引入恰当的孔径布局。当今首要的制备法子包含下列三种：湿化学技艺、3D打印技艺、化学气相堆积（CVD）制备技艺。
湿化学制备技艺首要经过采取硫酸和高锰酸钾将石墨氧化插层，并剥离出氧化石墨烯，而后将氧化石墨烯经过自组装，完成石墨烯之间的连合。如斯制备的块体材料在冷冻枯燥经过，通多余余水份孕育的冰晶在真空下升华从而造孔，着末制得三维石墨烯。这类三维石墨烯超轻且弹性卓越，可范围化制备。但该制备法子对三维石墨烯的微布局调控有限。别的由于采取的氧化石墨烯其弊病较多，最后致使三维石墨烯力学强度和导电性较差。
图5湿化学技艺制备的三维石墨烯的宏观描写及其制备经过
3D打印技艺，是将氧化石墨烯制备出褂讪散开的石墨烯浆料，采取3D打印设施，按照程序策画打印出块体材料，再进一步去除模板和杂质等，冷冻枯燥制备出布局规整的三维石墨烯材料。采取这类法子制备的三维石墨烯一样超轻且具备较好弹性，微布局调控较为矫健，也许完成范围化制备。但整体上说力学强度和导电性尚有很大晋升起间。
图63D打印技艺制备三维石墨烯的经过示企图
为进一步晋升三维石墨烯的力学强度和导电性，协商人员采取化学气相堆积技艺制备三维石墨烯。首先采取多孔模板，在高温前提下在模板表面直接成长石墨烯，再通往昔除模板，冷冻枯燥制备出三维石墨烯。CVD技艺制备出的石墨烯具备超轻、超弹的机能，且微布局调控矫健，可范围化制备，同时获患了特别卓越的力学和电学机能。
图7CVD技艺制备三维石墨烯的经过示企图
那末如斯的三维石墨烯怪异之处安在呢？（1）超轻个性。浙江大学研发出了一种超轻三维石墨烯气凝胶（图8），革新了当今全国上最轻材料的吉尼斯记载，密度仅为0.16mg/cm3，是空气密度六分之一，是迄今为止全国上最轻的材料。其余，该三维石墨烯孔隙率极高，其内部石墨烯片撑持起多数个孔隙并充满着空气，这象征着99.99%的体积均是空气。（2）超高弹性。三维石墨烯也许被收缩成约其原始巨细的5%，且一再收缩0次后照样也许复原其原本的状况（视频1）。（3）超强个性。三维石墨烯也许撑持自己分量的倍，且布局描写没有显然转变（图9）。别的，收缩模量可达MPa，其强度比同分量的钢材要大倍。三维石墨烯的力学强度优于全部其余气凝胶材料，同时还具备精良的板滞褂讪性。（4）精良的导体。三维石墨烯的电导率在全部碳基气凝胶中是最高的，当其与LED灯连合，哄骗收缩可矫健调动LED灯的亮度。（5）丰裕的微/纳布局。三维石墨烯哄骗其微/纳布局显示出卓越的超疏水个性，小水点也许在三维石墨烯表面自在震动，而不会投入内部（图10）。这类个性也许使三维石墨烯具备自纯洁个性，可将水中的油滴停止定向输送和搜集，从而完成油水离开。
图8超轻三维石墨烯气凝胶及其宏观布局
视频1三维石墨烯的强度测试（上海硅酸盐所供给）
图9三维石墨烯撑持高出自己重倍的砝码（上海硅酸盐所供给）
图10三维石墨烯疏水个性及其与水点的潮湿角（上海硅酸盐所供给）
犹如斯怪异个性的三维石墨烯有哪些运用范畴恰当它大显神通呢？
目下紧急需求进展高能量密度、高功率密度、高平安、柔性的储能器件。三维石墨烯由于具备高的导电性和多孔个性，为锂离子和电子供给了迅速传输通道。而具备极大比表面积的三维高强度/弹性布局，可做为自撑持电极直接负载活性物资，从而代替器件中罕用的金属集流体，况且无需行使粘结剂和导电增加剂，大幅晋升电极中活性物资的比例，升高器件能量密度和功率密度、轮回褂讪性和平安性。同时，哄骗三维石墨烯卓越的柔韧性和板滞强度，可将器件柔性化。最新协商结果讲明，行使三维石墨烯材料做为电极，也许晋升超等电容器体积能量密度4倍以上。
在养息防备方面，三维石墨烯一样能起到关键效用。本年寰球产生了严峻的新冠肺炎疫情，口罩成为庇护医护人员的第一起防地，一度成为稀缺资本。三维石墨烯具备大表面积和强的静电吸附个性，也许做为关键过滤材料，晋升过滤效率。三维石墨烯口罩不仅具备高的过滤效率，况且能催化分解有毒无益气体并杀菌除臭。
别的，具备超高比表面积和超疏水个性的三维石墨烯还也许用于海上漏油处置。当今海上船只屡有产生原油泄露事件，给良多国度孕育经济损失和处境浑浊。三维石墨烯具备大的悠闲率以及超疏水个性，对包含原油等数十种有机浑浊物有很强的吸附性，最高吸附量可为自重的1倍以上，况且可反复哄骗，屡屡轮回行使后吸附量无显然衰减。是以，采取三维石墨烯也许迅速摄取水中油污来处置海上漏油，而经过外力挤压的方法，可同时完成原油的回收哄骗和三维石墨烯的反复哄骗。
视频2三维石墨烯的摄取油污视频（硅酸盐所供给）
视频3三维石墨烯的摄取油污视频（硅酸盐所供给）
咱们国度是一个淡水资本相对缺乏的国度，海水淡化是咱们寻找的胡想。何如完成低成本、零浑浊的海水淡化是摆在咱们眼前的紧急需求办理的题目。三维石墨烯特殊的微/纳布局，也许制备出超黑材料，高效摄取太阳光，晋升挥发效率，经过将海水加热挥发并冷凝，完成海水淡化。如斯的法子也许完成范围化运用。
图11摹拟哄骗三维石墨烯停止海水淡化实践（硅酸盐所供给）
其余，三维石墨烯还也许做为布局材料，隔音材料和绝热材料。首先三维石墨烯具备超轻超强的布局，可下降来日航天器40%的分量，完成节能减排。而凭仗超大的孔隙率、极低的热导率和导热系数，三维石墨烯可用于百般形势的保温材料。三维石墨烯也具备柔声速个性，可做为一种幻想的声学推迟或高温隔音材料。是以，三维石墨烯希望用于航空、航天和帆海等范畴。
综上而言，石墨烯和三维石墨烯已具备了其余材料所没有的极限机能，在储能、处境、布局材料等范畴都具备很好的运用功效。是以，石墨烯被誉为材料之王，这从侧面响应出石墨烯材料获患了人们很高的渴望。但关于理论运用，咱们还需求归纳考量与评价。对标现有商用产物的技艺功效，还要经得住墟市的比赛，在保险产物功效卓越的同时具备成本上风。关于石墨烯和其余新材料，咱们都需求确定的功夫停止材料技艺的积淀与补偿，追寻杀手锏级的运用，要呈现出新材料的不行代替性。咱们也渴望三维石墨烯也许做为新兴材料，负责起它的负担与职责，在泛滥新材猜中锋芒毕露，领先完成资产运用，使咱们的来日生存更为俊美。
参考文件：
1.XiaoyuZheng,HowonLee,ToddH.Weisgraber,MaximShusteff,JoshuaDeOtte,EricB.Duoss,JoshuaD.Kuntz,MonikaM.Biener,QiGe,JulieA.Jackson,SergeiO.Kucheyev,NicholasX.Fang,ChristopherM.Spadaccini1.Ultralight,UltrastiffMechanicalMetamaterials.Science,,,-.
2.PeterM.Wilson,GilbertN.Mbah,ThomasG.Smith,DanielSchmidt,RebeccaY.Lai,TinoHofmannandAlexanderSinitskii,Three-dimensionalperiodicgraphenenanostructures.J.Mater.Chem.C,,2,-.
3.HaiyanSun,ZhenXu,andChaoGao.Multifunctional,Ultra-Flyweight,SynergisticallyAssembledCarbonAerogels.Adv.Mater.,25,–.
4.LingQiu,JefferyZ.Liu,SheryL.Y.Chang,YanzheWuDanLi.Biomimeticsuperelasticgraphene-basedcellularmonoliths.NatureCommun.,,3,.
5.BinYao,SwethaChandrasekaran,HaozheZhang,AnnieMa,JunzheKang,LeiZhang,XihongLu,FangQian,ChengZhu,EricB.Duoss,ChristopherM.Spadaccini,MarcusA.Worsley,YatLi.3D‐PrintedStructureBooststheKineticsandIntrinsicCapacitanceofPseudocapacitiveGrapheneAerogels.Adv.Mater.,32,.
6.Wan,X.,Huang,Y.,andChen,Y.().Focusingonenergyandoptoelectronicapplications:ajourneyforgrapheneandgrapheneoxideatlargescale.Acc.Chem.Res.45,–.
滥觞：华夏科学院上海硅酸盐协商所
舒适提醒：近期，
联系电话：