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首页 测试百科 超神的浙江大学!前天刚发《Nature》,今日再发《Science》,轰动世界!

超神的浙江大学!前天刚发《Nature》,今日再发《Science》,轰动世界!

石墨烯纤维 可逆 融合和裂变

研究背景

在生物学、化学工程和理论物理学中已经广泛研究了融合和裂变行为,以理解细胞过程,发展人工组装的形态学研究,并产生多金属化合物。脂质/表面活性剂/小有机分子/融合物胶束和囊泡的融合和分裂通常是通过引入盐、表面活性剂、离子、氧化剂和还原剂,或者通过应用紫外线和可见光来改变囊泡内部和本体溶液之间的渗透压来触发的。热或团簇沉积也会导致金属颗粒和团簇的类似行为。虽然人工囊泡和纳米粒子的融合-裂变研究取得了进展,但可逆的融合和裂变仍然难以实现,主要是因为单个组件之间的界面发生了不可逆的物理或化学变化。对可逆和可控的融合和裂变的探索将激发刺激响应材料的发展,这些材料在获得动态可转换系统和具有定制纤维结构的结构材料方面显示出希望。组装结构的可回收性也是一个有益的属性。多年来材料科学家们也一直在寻找一种具有可逆融合和裂变的刺激响应材料。

石墨烯纤维是2011年才发展起来的一种以天然石墨为最初原料的新型碳质纤维,由石墨烯或者功能化石墨烯纳米片的液晶原液经湿法纺丝一维有序组装而成。石墨烯纤维具有良好的机械性能、电学性能和导热性能,可用于导电织物、散热、储能等领域。将其他物质引入石墨烯纤维中还可得到特定功能的石墨烯复合纤维,如将融合物加入石墨烯纤维得到结构精巧、力学性能良好的石墨烯仿贝壳纤维;将磁性纳米粒子加入得到磁性的石墨烯复合纤维;加入Ag纳米线得到高导电的石墨烯复合纤维。石墨烯纤维良好的柔韧性使其在柔性器件如柔性超级电容器等领域得到应用

说起石墨烯纤维,不得不提到一个牛人,他就是浙江大学高超教授,2019年6月6日,全球首条纺丝级单层氧化石墨烯十吨生产线在杭州试车成功。当天,国际石墨烯产品认证中心为该生产线生产的单层氧化石墨烯及其应用产品多功能石墨烯复合纤维,分别颁发了全球首个产品认证。这条生产线是将浙江大学高超教授团队的成果转化并建设的。高超表示,石墨烯是国家重点支持的战略前沿和新兴材料产业,长期以来,高品质单层石墨烯粉体类原料无法量产,这使得石墨烯的诸多优异性能无法充分发挥,产业化之路困难重重。生产线试车成功,标志着高超和他的团队在全单层反应、高效分离提纯、粉末再溶解等十多项科学技术工程难题上的突破:该团队掌握了国际原创的全套量产技术。高超教授是目前国内高分子材料研究领域的万人计划领军人物,尤其在有着改变21世纪的材料之称的石墨烯领域硕果累累

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这里介绍一下高超教授19731月生。工学博士,教授,博士生导师。1995年毕业于湖南大学化学化工学院有机化工专业,获学士学位,1998年毕业于同校精细化工专业获硕士学位,2001年毕业于上海交通大学高分子科学与工程系,获得工学博士学位,并留校任教。20028月被评为副教授。200311月至20068月先后在英国Sussex大学化学系Harold W. Kroto爵士实验室、日本Toyo大学Toru Maekawa教授组、德国Bayreuth大学Axel H. E. Müller教授组做访问研究、博士后研究、合作研究和洪堡基金研究员。20082月加入浙江大学高分子系,同年7月被评为教授、博士生导师。主要从事石墨烯化学与组装等方面的研究。在Sci. Adv.Nat. Commun.Adv. Mater.Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI收录文章180余篇,他引10000余次。共同主编Wiley出版的英文专著1本,为英文专著撰写6个章节,已授权中国发明专利46项,担任Nano-Micro Lett.、《中国科学:化学》、《功能高分子学报》、期刊编委,中国能源学会专家委员会委员。入选国家第二批万人计划科技创新领军人才、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才浙江省151人才工程第一层次培养人员”、“Academician of Asia-Pacific Academy of Materials (APAM)”,获得钱宝钧纤维奖 青年学者、国家杰出青年科学基金、“Gold Kangaroo World Innovation Award”第十二届浙江省青年科技奖浙江大学十大学术进展等人才计划或荣誉


研究成果

刺激反应的融合和裂变在生物组织和人工分子组装中都被广泛观察到。然而,设计一个在重复融合和裂变过程中具有结构和性质持久性的系统仍然具有挑战性。今日浙江大学高超教授课题组报道了湿纺氧化石墨烯纤维的可逆融合和裂变,其中许多宏观纤维可以融合成更厚的纤维,也可以在溶剂的刺激下分离成原始的单个纤维。溶剂蒸发和渗透引起的GO纤维壳的动态几何变形是可逆融合-裂变循环的关键。这一原理被扩展到实现复杂纤维组件之间的灵活转换以及客体化合物的包含或排出相关研究工作以“Reversible fusion and fission of graphene oxide–based fibers”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

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值得注意的是,就在前天5月5日,浙江大学郑毅等研究人员在中心对称的几层黑砷中发现了SOCStark效应之间的协同效应,表现为粒子-空穴非对称Rashba 谷的形成和由静电门可逆控制的奇异量子霍尔态相关研究成果以“Rashba valleys and quantum Hall states in few-layer black arsenic”为题发表在顶级期刊《Nature》上,两天内连发《Nature》、《Science》,着实厉害,为浙大点赞!

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图文速递

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 1 GO纤维的可逆融和裂变

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 原位荧光观测和非原位融合/裂变过程的EDS分析

作者提出一个溶剂触发的拓扑调控策略来实现可逆的融合和裂变。选择氧化石墨烯纤维作为模型是因为氧化石墨烯片的性质,包括二维(2D)拓扑、丰富的化学部分、超柔性和自粘附能力。溶胀后,湿法纺丝的氧化石墨烯纤维具有限制内部氧化石墨烯片运动的外壳(最外层表皮),并显示出溶剂引发的大体积变化和弹性变形能力。在水和极性有机溶剂的刺激下,纤维壳的形貌通过膨胀和去膨胀在褶皱的管状状态和展开的圆柱形态之间可逆地转换,从而导致瞬时纤维界面并导致任意数量的GO纤维的周期性自融合和自分裂(图1A)。在每个循环中,纤维的数量、大小、成分、结构和性质在裂变后被恢复,表现出融合和裂变的精确可逆性。

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可逆融合与裂变的动态形变机理

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可逆聚散实现可控的转化

作者发现融合和裂变是通过纤维壳在去膨胀和再膨胀时可逆的起皱和扩张来进行的(图3A)。这里,GO纤维壳被定义为饱和溶胀的GO纤维的最外层致密层,其特征在于宏观尺度的圆柱形构型、微观尺度的波纹和纳米级的紧密组织的GO。壳在可逆的融合-裂变过程中起着主要作用,因为它是与相邻纤维接触的边界,提供纤维间的结合和剥离,并保护内部纤维GO片免受扩散。在去溶胀和再溶胀过程中,溶胀的GO纤维保持几乎恒定的周长,这表明在外壳处仅发生弹性变形(图3B)。外壳由于起皱和展开而起皱和展开波纹微结构,波纹的曲率半径在10纳米到83毫米之间变化。与此同时,内部纤维GO片相应地变形,因为它们在溶胀的凝胶纤维中相互连接。可逆的融合-裂变能力只存在于湿法纺丝的GO纤维中。虽然干纺GO纤维可以融合,但它们不能裂,主要是因为缺乏致密的保护性外壳。图4展示了融合-裂变行为潜在应用的概念。首先,各种基于纤维的组装结构之间的灵活转换成为可能。这将允许在具有特定性能需求的不同场景中自适应地应用GO纤维基系统。

结论与展望

在这项研究中,精确可逆的融合和裂变是由GO纤维可恢复的几何形变引起的。这使得纤维组装系统具有动态特性,从而实现了结构间的转换和响应驱动。这一概念通过GO涂层进一步扩展到传统纤维,同时提供了可回收性的潜力。这项研究使融合-裂变特性构成了功能响应材料设计的通用策略,具有深远的意义!期待高超教授团队取得更多突破,加速石墨烯产业化进程,造福人类!


文章链接:https://science.sciencemag.org/content/372/6542/614


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