具有多种功能的还原氧化石墨烯/聚合物基多孔超材料

来源 | Nature Communications

原文 | https://doi.org/10.1038/s41467-024-44707-3

背景介绍

气凝胶、泡沫和海绵等多孔材料具有许多独特的机械、热学、电学和化学性能，在隔热、吸附、传感器、催化、储能等方面具有广阔的应用前景。各种柔性多孔材料，包括可压缩的、可弯曲的和可拉伸的多孔材料，已经通过优化它们的多孔微结构而得到广泛的研究。其中，可拉伸气凝胶和泡沫尤其具有吸引力，因为它们在柔性应变/压力传感器、可拉伸导体、柔性电池、柔性超级电容器、可拉伸电磁干扰(EMI)屏蔽材料、可拉伸热管理材料等方面具有潜在的应用前景。虽然可压缩和可弯曲气凝胶和泡沫已经被广泛研究和报道，但关于可拉伸气凝胶和泡沫的报道却少得多。许多特殊设计的结构，如细胞和层状结构，可以赋予多孔材料高压缩性和弹性。然而，气凝胶和泡沫的高度多孔结构通常在拉伸时容易破裂。实现高度可拉伸的气凝胶和泡沫是一个巨大的挑战。

成果掠影

近期，同济大学祖国庆课题组受中国传统折纸工艺启发，采用单轴/双轴/三轴热压策略，调控气凝胶多孔结构，构建了具有折叠和内凹多孔结构的高可拉伸、低/负泊松比还原氧化石墨烯（rGO）/聚合物基多孔超材料。该文报道了通过单轴、双轴和三轴热压策略获得的具有低泊松比或负泊松比的高拉伸多孔氧化石墨烯/聚合物纳米复合弹性体。具有正泊松比的高可压缩性气凝胶可以通过这些热压策略转化为具有零或负泊松比的高可拉伸多孔超弹性体。具有压缩和折叠多孔结构的单轴热压多孔弹性体具有较高的拉伸性能，断裂伸长率为1250%，可逆伸长率大于800%。此外，通过双轴(或三轴)热压得到的具有可重入孔结构的多孔间弹性体具有较高的双轴(或三轴)拉伸性能和负泊松比。证明了所得到的多孔弹性体可以应用于超宽响应应变(0-1200%)和压力(0-9.5 MPa)传感器。此外，它们可以应用于智能热管理和电磁干扰屏蔽，这是通过简单地通过拉伸来调节多孔微结构来实现的。这项工作为高度可拉伸和负泊松比多孔材料开辟了一条道路，在柔性电子、热管理、电磁干扰屏蔽、能量存储等方面具有应用可能性。该成果以“Stretchable and negative-Poisson-ratio porous metamaterials”为题发表在《Nature Communications》。

图文导读

图1. 可拉伸负泊松比多孔超材料制备与应用。

图2. 多孔超材料的形貌、可拉伸性和泊松比。

图3.多孔超材料拉伸原位形貌及其在热压与拉伸过程中的有限元分析。

图4. rGO/聚合物复合多孔超材料的应变/压力传感性能和应用。

图5. rGO/聚合物复合多孔超材料可调的热管理与电磁屏蔽性能。