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近日，美國萊斯大學的科學家們開發出一種由石墨烯泡沫製造三維導電物體的簡單方法，為能量儲存和柔性電子感測器等應用帶來了新的可能性。
背景
如果說有一種新材料極有可能掀起一場席捲全球的新技術新產業革命，那麼許多人都會想到石墨烯。這種由單層碳原子組成的蜂窩狀結構，具有許多優異的特性，例如輕薄、柔韌性好、輕度高、導電導熱性極佳等等。
作為時下非常熱門的新材料與新技術，筆者之前介紹過許多有關石墨烯的創新研究成果，涉及石墨烯的特性研究、製備方法、實際應用等。
從實際應用的角度來說，石墨烯在柔性電子、高效電晶體、新型感測器、新材料、電池、超級電容、半導體製造、新能源、通訊、太赫茲技術、醫療、航天能源技術、分子電子等諸多領域都有著重要的價值，因此極具商業前景，也是全球各國都在著力研究的戰略性材料。
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然而，通過低成本、易操作、高效率的製備方法製備出高質量的石墨烯，對於石墨烯大規模生產和商業應用來說非常關鍵。例如，筆者曾經介紹過“微流化法”、“爆炸法”、“鐳射誘導法”等製備方法。
今年2月份，筆者曾介紹過美國萊斯大學化學家 James Tour 的實驗室將鐳射誘導製備的石墨烯（LIG）“燒入”紙張、衣服、 煤炭和特定食物，甚至是吐司麵包中。
（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）
將LIG圖案寫入目標材料中，可作為超級電容、燃料電池的電催化劑、RFID天線、生物感測器等使用。舉例來說，LIG圖案可作為食品上的RFID標籤，記錄食品生產地址、生產日期等資訊；也可以作為感測器，檢測食品中的大腸桿菌和其他微生物。此外，Tour 表示，柔性可穿戴電子器件將成為這項技術的早期市場應用，例如將導電線放置到衣服中，可用於加熱衣服或者新增感測器或導電圖案。
（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）
創新
今天，讓我們繼續關注萊斯大學 James Tour 實驗室在鐳射誘導石墨烯方面取得的新進展。
近日，Tour 實驗室開發出一種通過石墨烯泡沫製造三維導電物體的簡便方法。Tour 稱，石墨烯泡沫是一種溼軟的物體，看上去和摸上去都像小孩子玩的泥巴，可是它卻為能量儲存和柔性電子感測器等應用開闢了新的可能性。
讓我們先來看一幅圖：論文的共同領導作者、萊斯大學的研究生 Duy Xuan Luong 將三維的鐳射誘導石墨烯放置在兩條柳樹枝上。該實驗室採用工業鐳射將便宜的聚醯亞胺塑料在室溫下轉化為石墨烯泡沫，然後將薄片繫結到一起製造出輕量導電的三維石墨烯。
（圖片來源： 萊斯大學）
關於這項技術細節的論文發表在《先進材料（Advanced Materials ）》雜誌。
技術
2014年，該實驗室就曾通過鐳射加熱廉價的聚醯亞胺塑料板，首次製造出鐳射誘導石墨烯。鐳射燃燒掉大約一半的塑料，將其頂部轉化為互相連線的二維碳薄片，這種二維碳薄片仍然與底部的一半保持連線。LIG會在室溫下以宏觀圖案的形式製造出來。Tour 表示，該實驗室已經將他們技術的拓展用於在木頭甚至食物上製造LIG，但是迄今為止還無法製造出純石墨烯製成的三維物體。
Tour 表示：“現在，我們已經構造出一個原型機器，通過自動的連續分層和鐳射照射，將石墨烯泡沫製造成三維物體。這樣無需熔爐或者金屬晶體，真正地將石墨烯帶到了三維，而且我們的工藝很容易擴充套件。”
（圖片來源： 萊斯大學）
新方法基於分層實體製造技術。在這種技術中，材料的各層被整合到一起，但然後切成相應的形狀。在這個案例中，頂部的LIG層保持與底部的聚醯亞胺塑之間的連線。第二層塗有乙二醇，面朝下放置在第一層上面，就像果醬三明治一般。然後，其頂部的聚醯亞胺被燒成石墨烯。這項工藝可以按照需要重複進行，直到整塊完成。如下圖所示：
（圖片來源： 萊斯大學 / Tour Group）
Duy Xuan Luong 表示，乙二醇粘合劑會在一個熱的盤子上被蒸發掉，任何剩餘的聚醯亞胺都會在熔爐中被去除掉。這樣就剩下了原始狀態的海綿狀的碳塊。萊斯實驗室堆疊了多達5層的泡沫，然後採用在一個改良的三維列印機上的光纖鐳射系統，將碳塊磨成複雜的形狀。
（圖片來源： 萊斯大學 / Tour Group）
價值
實驗室製作了概念驗證階段的鋰離子電容器，它採用三維LIG作為陽極和陰極。陽極的質量比容量是354毫安時每克，接近石墨的理論極限，而陰極的容量超越其他碳材料的平均容量。970次充放電迴圈之後，經過完整測試，電池可以保持70%的容量。
Tour 表示：“在這些新一代的鋰離子電容器中，它代表了非常卓越的效能，獲得了鋰離子電池和電容混合物的最佳特性。”
然後，研究人員通過20納米到30納米的孔洞，為一塊三維LIG灌入了聚二甲基矽氧烷液體。這樣可以製造出更強大導電材料，並保持柔韌性，還不會改變泡沫的初始形狀。他們通過這種材料製造出一種柔性感測器，可以精準地記錄來自志願者手腕的脈衝。他們表示，通過對於裝置進一步的校準，將使得他們可以從脈衝波形中提取血壓資訊。
關鍵字
石墨烯、柔性電子、能量儲存
參考資料
【1】http://news.rice.edu/2018/06/14/sculpting-with-graphene-foam-2/
【2】Duy Xuan Luong, Ajay K. Subramanian, Gladys A. Lopez Silva, Jongwon Yoon, Savannah Cofer, Kaichun Yang, Peter Samora Owuor, Tuo Wang, Zhe Wang, Jun Lou, Pulickel M. Ajayan, James M. Tour. Laminated Object Manufacturing of 3D-Printed Laser-Induced Graphene Foams. Advanced Materials, 2018; 1707416 DOI: 10.1002/adma.201707416