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浙江大學高超教授和許震研究員課題組(第一作者是龐凱博士)--溶致塑化發泡法制備石墨烯氣凝膠及其在人工智能觸覺傳感器中的應用
      固體直接發泡是制備多孔材料最有效的方法。然而,由于強烈的界面相互作用使得固體的可塑性被壓制,這理想的發泡法無法制備納米顆粒氣凝膠。在這里,發明了一種溶致塑化發泡法,將固態氧化石墨烯直接轉化為氣凝膠塊體和微陣列,取代了常用的冷凍方法。水分子的插入使固態氧化石墨塑化,使直接發泡而不是災難性破碎。氣泡的形成遵循一般結晶規則,納米級精確控制細胞壁厚8nm。氣泡團簇形成緊密搭接的雙曲面結構,并呈現出超強機械穩定性,具有抗極端變形能力。利用石墨烯氣凝膠制作具有超靈敏和超穩定性的觸覺微陣列傳感器,在人工智能觸摸識別方面,其精度高達80%,優于人手的觸覺靈敏度(30%)。                                                                                               
 
  
Figure 1. 溶致塑化發泡石墨烯氣凝膠的制備及機理。(A)溶致塑化發泡的過程。(B)氧化石墨烯中水分子的插入實現片層塑化。(C)隨著氣泡的成核與生長氧化石墨烯片緩慢的發生塑化滑移形變,直至穩定。(D)形成緊密搭接的雙曲面石墨烯氣凝膠。(E)石墨烯氣凝膠的掃描形貌圖及氣泡結構模型圖。
 
  
Figure 2. 氣泡的成核與生長及結構控制。(A)通過光學顯微鏡原位觀察了溶致塑化發泡過程中氣泡變化。(B)氣泡在成核和生長過程中的形貌圖及示意圖。(C)氣泡成核密度(Nn)與石墨烯氣凝膠壁厚(T)的關系。(D)壁厚隨著氣泡成核密度增加而降低的示意圖。(E)氣泡生長時間(t)與所得氣凝膠的密度(ρ)的關系。
 
  
Figure 3. 溶致塑化發泡石墨烯氣凝膠的機械穩定性。(A)將大塊石墨烯氣凝膠反復折疊壓縮進入到一個細長彎管中,氣凝膠結構未遭到破壞且未出現明顯的碎屑脫落。(B)石墨烯氣凝膠在90%的應變下經過105次循環的壓縮應力應變曲線。(C)石墨烯氣凝膠壓縮循環性能與的文獻中的性能進行對比。(D-G)拉伸、剪切、彎曲、撕裂過程的力學曲線對比。
 
 
Figure 4. 高靈敏度的石墨烯氣凝膠。(A)石墨烯氣凝膠傳感器的結構及SEM圖。(B)傳感器的壓阻變化曲線。(C)傳感器的壓阻疲勞穩定性。(D)所制備的傳感器與文獻對比。(E)將傳感器固定于機械手上進行超輕碳氣凝膠密度的識別。(F)壓縮距離和阻力關系的擬合曲線,確定密度。 
 
       相關研究工作由浙江大學高超教授和許震研究員課題組(第一作者是龐凱博士)于2020年發表在Science Advances期刊上。原文:Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors。

轉自《石墨烯雜志》公眾號

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