5月15日，國際闻名期刊Cell姊妹刊《Matter》在線刊登瞭北京航空航天大學化學學院程群峰教授、江雷院士團隊及其合作者的最新研讨成果“長鏈π-π堆積效果交聯的超強石墨烯薄膜”（英譯：Ultrastrong Graphene Films via Long-Chain π-Bridging），程群峰為通訊作者，2014級直博生萬思傑為榜首作者，北航為仅有通訊單位。
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https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30022-0
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室溫下將豐富的、價格低价的天然石墨，組裝成高功能的石墨烯薄膜，具有重要的研讨意義。现在，低溫氧化法能够有效地將石墨剝離成高質量的氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）納米片；而氫碘酸在室溫下可高效還原氧化石墨烯。已有報道能够通過CVD办法组成大面積單層石墨烯薄膜，可是怎么將低价的GO納米片組裝成宏觀高功能的石墨烯薄膜资料仍然是一個技術難點。
天然鮑魚殼具有優異的斷裂韌性，存在以下特點：（1）室溫生長；（2）有序的有機-無機遗言層狀結構；（3）豐富的界面相互效果。受此啟發，程群峰課題組近年來提出，通過構築不同的界面類型，进步石墨烯層間界面相互效果，進而进步石墨烯薄膜的物理化學功能。石墨烯納米片外表具有大面積的sp2結構，能够為π-π堆積效果供给豐富的交聯位點，從而有利於进步界面強度；此外，比较於其它界面效果，π-π堆積效果可維持石墨烯納米片的共軛骨架結構，因而，π-π堆積效果能够同時进步石墨烯薄膜的拉伸強度和導電功能。但是，由於π-π堆積效果运用的交聯劑一般為小分子，其極大地约束瞭石墨烯納米片在拉伸過程的滑移，因而很難大幅度进步石墨烯薄膜的功能。
基於此，最近程群峰課題組在前期研讨的基礎上，設計瞭一種長鏈π-π堆積效果交聯劑，將還原後的GO納米片交聯成超強超韌高導電的石墨烯薄膜。該長鏈π-π堆積效果交聯劑由10，12-二十二碳二炔二酸二芘甲酯單體聚合組成；其不僅能够通過兩端的芘基與相鄰的石墨烯納米片交聯，并且能够通過二炔基團1，4-加成聚组成長鏈分子。長鏈π-π堆積交聯的石墨烯（π-bridged graphene，πBG）薄膜的拉伸強度和韌性分別達到1054 MPa和36 MJ/m3，為现在文獻報道的最高值；電導率為1192 S/cm，與高溫處理的石墨烯薄膜相當。由於長鏈π-π堆積效果可进步石墨烯納米片的規整度，因而該πBG薄膜具有高效的電磁屏蔽效能。此外，在循環拉伸和折疊變形下，該πBG薄膜還具有超高的抗疲勞功能和優異的功能穩定性。更重要的是，該作业通過原位拉曼表征和分子動力學模擬，提醒瞭長鏈π-π堆積效果的強韌機理，為組裝納米基元资料供给瞭重要的理論指導。
πBG薄膜的制備過程如圖1A所示，首要將GO水溶液真空抽濾成GO薄膜；然後，該GO薄膜通過氫碘酸（HI）還原轉化成rGO薄膜；最後將該rGO薄膜浸泡在10，12-二十二碳二炔二酸二芘甲酯溶液中，並使用紫外光照得到πBG薄膜。該πBG薄膜具有優異的柔性（圖1B）和有序的層狀結構（圖1C和D）。進一步，廣角激光散射（WAXS）結果标明，比较於rGO薄膜（圖1E），該πBG薄膜（圖1F）具有更規整的片層取向。
圖1. πBG薄膜的制備過程及微觀結構
πBG薄膜的拉伸應力-應變曲線如圖2A所示，其力學功能可通過改變交聯劑的含量進行優化。如圖2B所示，最優化的πBG薄膜的拉伸強度、韌性和電導率分別達到1054 MPa、36 MJ/m3和1192 S/cm，是rGO薄膜的2.9、4.6和1.3倍，此外，這三種功能優於文獻報道的其它室溫交聯石墨烯薄膜（圖2C）。由於優異的導電功能和有序的層狀結構，該πBG薄膜比较於rGO薄膜具有更高的電磁屏蔽效能（圖2D），在0.3~18 GHz頻率范圍的電磁屏蔽效能為36.5 dB。如圖2E和F所示，該πBG薄膜的首要屏蔽機制為吸收效果，此外，比较於其它實心固體屏蔽资料，πBG薄膜的密度較低，因而具有更高的比屏蔽效能（圖2G）。
圖2. πBG薄膜的力學、電學和電磁屏蔽功能
比较於rGO薄膜，該πBG薄膜具有更高的拉伸抗疲勞功能（圖3A），在780~860 MPa的應力下，可循環拉伸264811次（圖3B）。由於優異的疲勞裂紋按捺才能，πBG薄膜在循環拉伸（圖3C）和彎折（圖3D）下，具有更高的穩定性，例如，在160~240 MPa應力下循環拉伸10萬次後，πBG薄膜的拉伸強度、電導率和電磁屏蔽效能的坚持率分別為93.4%、85.3%和89.3%。在360°循環折疊1000次後，πBG薄膜的拉伸強度、電導率和電磁屏蔽效能坚持率分別為81.2%、78.4%和84.1%。
圖3. πBG薄膜在循環拉伸和彎折時的功能穩定性
原位拉曼測試結果标明，比较於rGO薄膜（圖4A），πBG薄膜（圖4B）在斷裂時具有更大的G峰位移，标明長鏈π-π堆積效果具有高效的應力傳遞功率。此外，分子動力學模擬拉伸應力-應變曲線與實驗測試結果相符（圖4C）。如圖4D所示，在模擬受力拉伸時，該πBG薄膜的石墨烯片層首要被拉直取向，隨後長鏈π-π交聯劑逐漸被拉直，從而供给石墨烯納米片較大的滑移，最後交聯劑與石墨烯納米片發生滑移分離，薄膜斷裂。圖4E為πBG薄膜相應斷裂過程的卡通圖，顯示該長鏈π-π堆積效果的強韌機理為高效的應力傳遞功率和石墨烯納米片較大的滑移，這與原位拉曼測試的結果相符。比较於rGO薄膜（圖4F），πBG薄膜（圖4G）的斷面描摹呈現更明顯的邊緣弯曲，進一步證明瞭長鏈π-π堆積效果高效的應力傳遞功率。
圖4. πBG薄膜的強韌機制
程群峰課題組通過長鏈π-π堆積效果交聯的高功能多功能石墨烯薄膜，將來有望替代商用碳纖維織物復合资料，應用於航空航天和柔性電子器材等領域。結合先進的規模化制備技術，本文提出的長鏈π-π堆積效果交聯战略為制備高功能石墨烯納米復合资料開辟瞭新的思路。
該研讨得到瞭國傢優秀青年科學基金、國傢自然科學基金面上項目，北航青年科學傢團隊、111引智計劃、985高校基礎科研業務費等項意图支撑。論文合作者北京大學口腔醫學院的博士研讨生陳英同學，中科院過程工程研讨所的王艷磊博士，北京航空航天大學化學學院江雷教授、劉世界教授和李光文同學，清華大學徐志平教授，國傢納米科學中心張建齊副研讨員、劉璐琪研讨員和汪國瑞博士以及北京航空航天大學高精尖創新中心首席科學傢Antoni P. Tomsia教授也對該研讨進行大力支撑。（來源：北京航空航天大學）