羅斯達教授團隊在一次利用各種高分子薄膜制備LIG應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)研究中，偶然發(fā)現(xiàn)多孔聚酰亞胺纖維聚合薄膜（PI紙）相較于其它高分子基材可以制備出表面平整度與導電性大幅提升的LIG結(jié)構(gòu)。于是羅教授由此產(chǎn)生靈感，開始指導團隊系統(tǒng)探索及驗證在大尺度加工條件下，如何整體將PI紙轉(zhuǎn)化為LIG結(jié)構(gòu)，并使之保持高平整度與導電性的同時，具備良好的力學穩(wěn)定性。

近日，機械工程及自動化學院羅斯達教授團隊成功利用先進激光誘導石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG）制備出無基質(zhì)的大尺寸石墨烯紙，其最新研究成果被著名雜志《Small》(IF: 9.598, Q1)與《Carbon》（IF:7.082，Q1）先后在線刊登。

石墨烯紙的優(yōu)勢與制備方法

近年來，石墨烯成為科學界研究的熱點領(lǐng)域。其中，作為自支撐宏觀二維材料的石墨烯紙（Graphene Paper, GP）具有超輕、超薄、高強、高導電導熱的特性，在柔性電子、智能結(jié)構(gòu)、儲能器件、生物醫(yī)學等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。然而，傳統(tǒng)GP的制備主要依賴于液相組裝法，其原料昂貴、工藝繁瑣、加工效率低，不利于大規(guī)模制備與應(yīng)用。

為了解決這一問題，2014年，美國萊斯大學著名化學學家James Tour提出了先進激光誘導石墨烯技術(shù)（Laser Induced Graphene, LIG），不僅大幅度降低了生產(chǎn)成本，還使柔性石墨烯器件的制備變得簡單高效。

然而利用先進LIG技術(shù)制備無基質(zhì)大尺寸石墨烯紙的研究及方法一直未被提出，也一定程度限制了LIG技術(shù)與器件的應(yīng)用。羅斯達教授團隊以此為契機，開展了一系列研究，尋找可行性制造方法。

從微小的結(jié)果差異中尋求靈感

羅斯達教授團隊在一次利用各種高分子薄膜制備LIG應(yīng)變傳感器的系統(tǒng)研究中，偶然發(fā)現(xiàn)多孔聚酰亞胺纖維聚合薄膜（PI紙）相較于其它高分子基材可以制備出表面平整度與導電性大幅提升的LIG結(jié)構(gòu)。于是羅教授由此產(chǎn)生靈感，開始指導團隊系統(tǒng)探索及驗證在大尺度加工條件下，如何整體將PI紙轉(zhuǎn)化為LIG結(jié)構(gòu)，并使之保持高平整度與導電性的同時，具備良好的力學穩(wěn)定性。

最終，羅斯達教授團隊成功利用先進LIG技術(shù)制備出了不依賴于基體支撐的大尺寸石墨烯紙。同時研究發(fā)現(xiàn)，PI紙具有的特殊多孔層狀纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可均勻吸收CO2激光輻照的能量，并大幅度抑制石墨化過程引發(fā)的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力集中、松質(zhì)、破損、失焦等加工難題，因此確保了GP材料的連續(xù)大尺寸加工。

目前制備出的單張GP材料的最大面積為1400cm2，已達到現(xiàn)有實驗室級石墨烯紙制備的最大尺寸之一。此外，該GP材料所具備的柔性與韌性保障其可通過激光二次加工實現(xiàn)各種多尺度復雜結(jié)構(gòu)，并可以和樹脂、硅膠等先進工業(yè)材料進行進一步的一體化融合制造。

圖1. 石墨烯紙的先進激光連續(xù)制造及多模式形態(tài)加工

通過系統(tǒng)的加工結(jié)構(gòu)性能關(guān)系探索研究，該先進激光誘導GP材料具備優(yōu)異的力學、電學、熱學、電化學等特性，可用于可穿戴手勢識別、機器人動作捕捉、油水分離、抗菌界面以及實現(xiàn)具有阻燃、防/除冰、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等功能的先進航空樹脂基復合材料結(jié)構(gòu)，未來具有廣闊的商業(yè)化前景。

圖2. 激光誘導石墨烯紙的可調(diào)控結(jié)構(gòu)、性能及多功能應(yīng)用

對未來的展望與寄語

對于未來的研究，羅斯達教授團隊還將繼續(xù)在激光誘導石墨烯紙方向上進行探索，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，深入挖掘這一結(jié)合數(shù)字化可控制造與前沿納米材料的先進技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。同時，團隊也將繼續(xù)深入研究石墨烯紙的高通量連續(xù)卷對卷制造，探尋其商業(yè)化前景，創(chuàng)造更多的價值。

“在做科研的過程中，計劃通常趕不上變化，最初的設(shè)想可能和過程中的結(jié)果千差萬別。但正是這個千差萬別的結(jié)果，可能又會激發(fā)出更新的想法?！痹诓稍L的最后，羅斯達教授說道。在進行科研的過程中，每一個看似異常的結(jié)果都可能成為一個新的突破點，因此一定要重視每一個結(jié)果。此外，羅斯達教授還告訴我們一定要放眼世界，實時跟蹤前沿發(fā)展現(xiàn)狀。一旦有了可借鑒的新想法，就能站在巨人的肩膀上，對未來的研究迭代出更明確的思路。

結(jié)語

羅斯達教授團隊提出的低成本大面積制備激光誘導石墨烯紙技術(shù)、可為宏觀石墨烯材料與結(jié)構(gòu)的大規(guī)模制備，以及商業(yè)應(yīng)用帶來一定的指導性思路與科學意義。對于未來的研究，羅斯達教授團隊還將繼續(xù)在激光誘導石墨烯紙方向上進行探索，深入挖掘這一結(jié)合數(shù)字化可控制造與前沿納米材料的先進技術(shù)在各領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。同時，團隊也將繼續(xù)深入研究石墨烯紙的高通量連續(xù)卷對卷制造，探尋其商業(yè)化前景，創(chuàng)造更多的價值。我們也期待他們能在該領(lǐng)域取得更大的突破和成就。

該研究分別獲得國家自然科學基金青年項目、國家商用飛機制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金及航空科學基金的支持。