浙大高超课题组近年重要工作概览

课题组介绍

浙江大学纳米高分子高超课题组，由高超教授领衔，有教授1名，特聘研究员2名，副教授1名，专职研究员1名，科研助理3名，高级研发工程师2名，工程师4名，博士后5名，博士生19名，硕士生18名，共计50余名成员。该团队聚焦氧化石墨烯，重点研究其化学与物理、组装与材料及器件与应用。主要学术成果有：1）发现氧化石墨烯液晶及其组装纤维的自融合现象；2）发明石墨烯纤维、连续组装薄膜、超轻气凝胶、石墨烯纤维无纺布及柔性储能器件；3）打通石墨烯料材器用全产业链，实现了成果转化和航天列装重要应用。该课题组坚持“First, Best, Most”的“3T”创新原则，倡导“发奋、发现、发明、发达”的“四发”科研理念，实现“一流团队”的建设目标。致力于培养心怀“国之大者”卓越人才，成就科研梦，共筑中国梦，奋力开创第六代人类文明——烯碳文明！

高超，浙江大学求是特聘教授、博导，浙江大学高分子科学研究所所长，浙江大学纤维研究中心主任，国家杰出青年科学基金获得者。主要从事石墨烯化学与宏观组装等方面的研究，发明了石墨烯纤维、石墨烯柔性薄膜、石墨烯气凝胶、石墨烯无纺布、石墨烯/硅室温宽光谱光电探测器等原创成果。在Science、Nat. Electron.、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.等国际知名期刊发表学术论文260余篇，连续六年入选科睿唯安全球“高被引科学家”。编著《石墨烯宏观材料及应用》著作一本。承担国家基金委重大、重点、杰青项目等科研项目十多项。授权中国发明专利两百余件、国际专利十余件，完成78项专利权转让。担任2D Materials、Advanced Fiber Materials、Carbon Energy、Nano-Micro Letters、《物理化学学报》等期刊编委。入选国家科技创新领军人才、亚太材料科学院院士 (Academician of Asia-Pacific Academy of Materials)，曾获“2021年度浙江省自然科学奖一等奖”、首届“钱宝钧纤维材料 青年学者奖”、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”、“创业十年 石墨烯中国梦：创业功勋人物”等荣誉。通过产学研协同创新，建成了全球首条IGCC认证的单层氧化石墨烯量产线，发明了第四代纤维—石墨烯康护纤维，打通了石墨烯的料材器用全链条，实现了规模化应用。

高超教授课题组近年来重要工作概览如下：

1. 氧化石墨烯纤维的精确可逆融合与分裂

该工作利用氧化石墨烯（GO）纤维的二维构筑基元和大体积动态形变特性，在国际上首次实现了GO基纤维的精确可逆融合与分裂。在溶剂的刺激下，多根宏观纤维发生可逆的融合与分裂。纤维的数量、尺寸、化学组成、结构和性能在融合与分裂循环后恢复至初始状态。实现了高性能GO基纤维制备、复杂形态组装体之间的动态可逆转变、GO纤维束对客体化合物的可控释放等应用，并将精确可逆的融合与分裂性质拓展到了传统纤维上，深化了GO二维大分子表界面科学，推进了新型智能响应材料的发展（Science, 2021, 372, 614）。

2. 超高导热超高模量石墨烯纤维

该工作提出“复合流场湿法纺丝”的方法，纺丝的同时，引入径向的旋转流场，使原本径向无序分布的氧化石墨烯基元有序化排列，形成了同心圆的液晶织构，经过干燥和高温石墨化后处理，大幅增大纤维中晶区的三维尺寸，同时实现了纤维的超高模量和超高导热性能，杨氏模量达901 GPa，导热率达1660 W/mK（Nat. Commun., 2024, 15, 409）。

3. 高导热石墨烯复合碳纤维的新突破

该工作提出了一种创新的“二维拓扑晶种石墨化”策略，通过将大尺寸二维氧化石墨烯晶种预置于商业聚丙烯腈前驱体中，有效地调制了石墨化过程中一维高分子链与二维石墨晶体间的拓扑不匹配，改善了纤维组成和结构的均匀性，促进了聚合物的石墨化动力学过程，实现了具有大晶区尺寸和高晶体取向度的高导热石墨烯复合碳纤维的结构调控与批量制备。该石墨烯复合碳纤维的导热率可达850 W/mK，远超传统聚丙烯腈基碳纤维（32 W/mK），达到了特种沥青基碳纤维水平。其比导热率为450 mW∙m²/kg∙K，超过了众多纤维材料（Adv. Mater., 2022, 34, 2201867）。

4. 液晶剪切智造术大面积制备竖直排列高导热材料

该工作提出了一种创新的“剪切构造术”策略，实现了大片径高取向氧化石墨液晶的制备。石墨阵列基热界面材料展现出94 Wm^-1 K^-1的导热率，超过金属热界面材料-铟 (81 Wm^-1 K^-1) 15%。研究提供了“剪切构造术”策略制备大片径高取向氧化石墨液晶，实现复合材料导热率的金属量级突破，该方法具有高精度、编程性、普适性等诸多优势，可灵活操控从胶体粒子到大颗粒的取向，是制备高各向异性的先进材料的新方法，对制备高导热石墨烯基碳纤维提供了重要的方法论（Adv. Mater., 2023, 35, 2300077）。

5. “二维超薄共振鼓”用于高性能石墨烯吸声泡沫

通过实验及模拟揭示了超薄石墨烯的强共振效应，提出了利用超薄二维石墨烯鼓的优异共振效应提升商用泡沫的吸声能力，构筑了高性能宏观吸声泡沫。证实了超薄石墨烯纳米鼓共振效应与石墨烯厚度之间存在负相关的关系，为高性能二维共振材料的研究奠定了理论基础。通过简单方法即可将商用泡沫转化为高性能吸声材料，平均吸声系数提高了~320%，并且该材料制备成本较低、容易量产，在噪音防护、建筑设计及声学设备等领域具有重要实用价值（Adv. Mater., 2022, 34, 2103740）。

6. 宏观组装石墨烯纳米膜

该工作提出了一种冷缩法制备大面积独立支撑超薄石墨烯纳米膜的方法，所制备的高结晶石墨烯纳米膜具有高导热（2820 − 2027 W /m K，自加热法）、高导电（1.8 − 2 MS/m）、高拉伸强度（5.5 − 11.3 GPa）、长载流子总持续时间（23 ps）等优异综合性能。所制备的石墨烯纳米膜在特定应用领域具有超越单层石墨烯以及宏观组装微米厚石墨烯膜的性质，可用于热声器件，提升器件的响应度和响应速度（30 µs）；可用于太赫兹等离子激元检测痕量分子浓度，显著提升检测最低浓度极限（20倍左右）。此方法也可以扩展到其他二维材料以及异质结的制备，应用于多功能高频电子器件（Adv. Mater., 2021, 33, 2104195）。

7. 基于宏观组装石墨烯纳米膜的室温高速中红外探测器

该工作提出宏观组装石墨烯纳米膜-硅肖特基结的研究思路，解决了高吸光率和大面积原子级异质界面接触难题，首次制备出室温超快中红外光电子探测器。以商业化的高烯单层氧化石墨烯作为原料，经过液晶湿法组装、化学还原、冷缩剥离及高温修复后，得到可自由操纵的自支撑大面积（4.2 cm直径）高结晶度石墨烯纳米膜（nMAG）。相较于单层石墨烯，nMAG具有独特的性质：~40%的高光吸收、~20 ps的长载流子弛豫时间、4.52 eV的功函数和体相效应抑制的载流子数波动等，显著增强了电子俄歇复合及光热电子发射效应。将其和硅组装成肖特基结，在维持肖特基结纳秒级超快响应速度的情况下，增强的光热电子发射效应将硅基肖特基结的探测波长从近红外（1.5 µm）扩展到了中红外（4 µm）（InfoMat, 2022, 4, e12309）。

8. 石墨烯/硅室温宽光谱光电探测器

该工作首次将商业化单层石墨烯和成熟硅基CCD器件相结合，实现了高灵敏度室温红外探测。结合宏观组装石墨烯纳米膜的强光热电子发射效应，突破了硅带隙对器件探测波长的限制。该工作中硅与二维材料的结合，为传统光电子探测器的波长扩展提供了新思路，为研发下一代宽光谱图像传感器奠定了基础（Nat. Electron., 2022, 5, 281）。