高超課題組在實驗室進行討論。
■本報記者 崔雪芹
對于普通材料來說，兩個物體一旦融合就難以復原，即便分開也不再是原來的兩個物體。然而，經(jīng)過4年的研究，浙江大學高分子科學與工程學系教授高超課題組發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯片具有適應性形變的能力，氧化石墨烯纖維在宏觀尺度上能夠在融合之后實現(xiàn)精確可逆的分裂，好比是自帶了“返回鍵”。這項成果將對未來精確可逆的組裝產(chǎn)生積極影響。這項成果近日發(fā)表于《科學》。
高超告訴《中國科學報》，相比已有的研究，課題組此次完成的氧化石墨烯基纖維精確可逆的融合—分裂過程是可控的，而且材料尺寸大，對于固體在可逆組裝過程中界面的獨特現(xiàn)象、材料的有效回收和重復利用等方面具有啟發(fā)意義。
精確可逆，就像七十二變般自如
現(xiàn)實生活中，每一個固體單元都有自己的特定形狀和尺寸，多個固體融合在一起組裝成一個整體不難，但是結合越緊密往往分離就越難，因此無法通過分離再另外組裝成別的形式的整體。
早前，科學家從細胞的融合與分裂中獲得靈感，仿生設計了功能性的組裝體，比如聚合物囊泡在光或熱的刺激下，能夠?qū)崿F(xiàn)融合或?qū)崿F(xiàn)融合與分裂，希望可以應用在藥物的遞送與釋放等領域，但是在融合與分裂的“可逆”這一環(huán)節(jié)遇到了阻礙。
而高超課題組卻發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯纖維挑戰(zhàn)了人們的一般認知，能夠在厘米級的宏觀尺度下，變形組裝并且解組裝復原。他們將13500根氧化石墨烯纖維做成的一根剛性柱子，變成一張節(jié)點融合的柔性網(wǎng)，把實驗過程顛倒過來后，網(wǎng)又重新變回了柱子。
這個過程當中，組成柱子和網(wǎng)的氧化石墨烯纖維并沒有發(fā)生變化。“通過特定的處理方式，氧化石墨烯纖維融合得到的固體材料可以像孫悟空那樣，七十二變后再變回原本的樣子。也就是說，我們這項研究實現(xiàn)了氧化石墨烯宏觀固體材料精確可逆的組裝。”高超說。
可逆奧秘，適應性形變好比“返回鍵”
為什么氧化石墨烯能做到精確可逆？這與材料本身的特性有關。高超課題組一直致力于石墨烯宏觀組裝的研究。早在2016年，課題組就發(fā)現(xiàn)，二維的氧化石墨烯片具有適應性形變的特點，可以完成融合。之前他們就利用氧化石墨烯纖維的溶脹融合成了無紡布。
那么，氧化石墨烯纖維融合后還能再分裂嗎？課題組繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯自身帶有特殊的性質(zhì)，即二維拓撲、豐富的含氧官能團、超柔性、自黏接，多根氧化石墨烯纖維融合后的粗纖維密度大、孔隙率少、界面結合適中。“這就使得材料的親和力剛剛好，很容易融合到一起，但結合力又不像鋼那樣強，所以還能分得開。”高超說。
實驗中，課題組先把13500根氧化石墨烯纖維融合成一根直徑1.2毫米的細長黑柱子，這些黑柱子可以承受680倍自身重量的力，然后把黑柱子放到水溶劑中解離再分裂，這時粗柱子就變成13500條纖維。論文第一作者、浙江大學高分子系的暢丹說：“這個過程中，氧化石墨烯的體積膨脹率達到了近40倍，提供了充分的表面形變的空間。”
在溶劑中纖維變軟了，就可以拿出來編織成節(jié)點融合的網(wǎng)，而且這張網(wǎng)仍然保持了一定強度，上面放輛玩具車完全沒有問題。也就是說，這些纖維再融合之后依然能作為功能材料來使用。
在復原環(huán)節(jié)，課題組把這張網(wǎng)再放回水溶劑，網(wǎng)重新分解成13500條纖維，撈出來之后它們會自動融合在一起，最終又變回了之前的柱子形狀。
那怎么證明這13500條纖維還是原先的那13500條纖維呢？課題組通過熒光染料及硅納米顆粒彩色標記的方式，證明了每一條纖維的內(nèi)在結構確實“我是我”“他是他”，纖維里面的成分沒有在多次融合—分裂后互相“串門”。
穿上“馬甲”，其他材料也能變
神奇的還不止這些。氧化石墨烯纖維的這種特殊屬性還能應用到別的材料上。
課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，如果在尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維等有機高分子、天然高分子、金屬、無機非金屬纖維的表面涂上一層氧化石墨烯，原有的這些普通材料也能夠具有“組裝—精確還原”的功能。
論文評審專家認為：“該工作代表著可回收及智能纖維材料領域的一個突破。結果具有科學價值，可能引發(fā)多個研究領域的興趣。”
就此工作，日本長野大學的Rodolfo Cruz-Silva和美國賓漢頓大學的Ana Laura Elías在同期《科學》發(fā)文進行了評論。
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