注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析
石墨烯纳米片具有优异的力学和电学性能，在航空航天以及柔性电子器件领域具有广阔的应用前景，而制约其实际应用的一个关键科学问题在于如何将石墨烯纳米片组装成宏观高性能的大面积薄膜材料。近日，北京航空航天大学的程群峰教授课题组和美国德克萨斯大学达拉斯分校的Ray H. Baughman教授课题组合作，基于离子键和π-π共轭作用有序交联策略，制备了一种超强高导电可折叠的石墨烯薄膜。
目前，提高宏观石墨烯薄膜性能的策略主要分为优化石墨烯纳米片的品质和构筑石墨烯片层之间的交联。第一种策略包括使用大尺寸的氧化石墨烯（Graphene oxide, GO）纳米片、调控GO纳米片的化学结构以及高温碳化等。虽然这些方法在一定程度上可以提升石墨烯薄膜的性能，但仍远低于单层石墨烯纳米片，并且成本较高（如高温碳化）。相比之下，第二种策略通过石墨烯片层之间的界面交联作用，可以大幅提升宏观石墨烯薄膜的物理化学性能。基于此，程群峰教授课题组和Ray H. Baughman教授课题组合作，发展了室温离子键和π-π共轭作用有序交联策略，为提高宏观石墨烯薄膜的性能提供了新的研究思路。
众所周知，自然界很多生物组织中（如贻贝足丝、天然沙蚕等）因存在离子键而具有优异的力学性能，而GO纳米片表面含有丰富的含氧官能团，可与金属离子（特别是配位能力较强的高价过渡金属离子，如Cr3+）形成较强的离子键。经还原，其表面sp2共轭结构大部分恢复，有利于与两端含芘基的分子形成高密度的共轭交联作用，如图1所示，他们在石墨烯片层间通过构筑离子键和π-π共轭有序交联，获得了高强、高导电、可折叠的石墨烯薄膜。
图1. 有序交联石墨烯薄膜的制备过程及结构示意图
该有序交联石墨烯薄膜的拉伸强度和韧性分别达到821.2 MPa和20.2 MJ/m3，是没有界面处理的石墨烯薄膜的4和7.5倍（图2）。此外，该石墨烯薄膜的拉伸强度可以与成本较高的准各向同性商用碳纤维复合材料相媲美，且韧性远远优于后者。同时，这种有序界面交联策略也可以有效地提升石墨烯纳米片的规整取向，从而使石墨烯薄膜的导电性能大幅度提升，其电导率可达415.8 S/cm。由于这种石墨烯薄膜具有较高的导电率以及内部石墨烯片层规整取向，因而具有优异的电磁屏蔽性能。例如，厚度为3~4 μm的石墨烯薄膜在电磁波段0.3~12 GHz范围内的屏蔽效能可达20 dB。如果将组装单元GO纳米片的尺寸由4.4 μm增大到25.1 μm时，制备得到的石墨烯薄膜的拉伸强度、韧性和导电率分别从821.2 MPa、20.2 MJ/m3和415.8 S/cm增大到924.8 Mpa、31.4 MJ/m3和550.2 S/cm。
图2. 有序交联石墨烯薄膜的力学性能、电学性能以及电磁屏蔽性能
为了评估这种有序交联石墨烯薄膜在柔性电子器件领域的应用前景，他们还研究了其循环拉伸和360°弯折疲劳性能。如图3所示，该石墨烯薄膜的拉伸疲劳寿命远优于没有交联的石墨烯薄膜。并且，在同等循环拉伸和360°弯折下，石墨烯薄膜的力学和电学性能保持率较高。
图3. 有序交联石墨烯薄膜的循环拉伸和360°弯折疲劳性能
这一成果近期发表在Advanced Materials上，并被选为当期的背封面，文章的第一作者是北京航空航天大学的博士研究生万思杰。
图4. 文章被选为当期背封面
该论文作者为：Sijie Wan, Shaoli Fang, Lei Jiang, Qunfeng Cheng, Ray H. Baughman
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：.
Strong, Conductive, Foldable Graphene Sheets by Sequential Ionic and π Bridging
Adv. Mater., 2018, 30, 1802733, DOI: 10.1002/adma.201802733
程群峰教授简介
程群峰，1981年12月出生，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师；2003年获河南大学学士学位，2008年获浙江大学高分子化学与物理博士学位，随后分别在清华大学、美国佛罗里达州立大学从事博士后研究；2010年就职于北京航空航天大学化学学院，2016年入选教育部青年长江学者，2016年获得中国化学会青年化学奖，2015年获国家优秀青年基金资助，2014年获第十四届霍英东基金资助，2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“北京市科技新星”。
程群峰教授研究团队主要从事仿生纳米复合材料的研究工作，围绕纳米复合材料的“界面作用及协同效应”这一关键科学问题，取得了一系列研究进展，提出了一种仿生构筑高强、高韧纳米复合材料的普适性策略；发表SCI论文65篇，含1篇Proc. Natl. Acad. Sci. USA（封面论文）、1篇Acc. Chem. Res.、2篇Chem. Soc. Rev. (2篇封面论文)、4篇Angew. Chem., Int. Ed. (2篇封面论文)、6篇Adv. Mater. (4篇封面论文)、8篇ACS Nano (1篇封面论文)、4篇Adv. Funct. Mater. (2篇封面论文)，其中影响因子>10的论文26篇，论文引用2700余次，H因子26，授权中国专利8项，部分研究成果被Nature以及《人民日报》等期刊和媒体广泛报道；自2018年3月-至今，担任国际材料领域期刊Materials Science and Engineering C: Materials for Biological Applications编辑。
程群峰
http://www.x-mol.com/university/faculty/19046
课题组网站
http://chengresearch.net/zh/members-cn/
Ray H. Baughman
http://www.x-mol.com/university/faculty/6447
科研思路分析
Q：这项研究的初衷是什么？
A：如上所述，石墨烯纳米片具有优异的力学和电学性能，在航空航天及柔性电子器件领域具有广阔的应用前景。为此，科学家发展了一系列策略将石墨烯纳米片组装成宏观高性能的块材。然而，这些方法往往采用高温处理或者传统高分子界面交联，成本较高、工艺复杂，制备的石墨烯薄膜的力学和电学性能难以同时提升。基于这一科学难题，我们致力于采用仿生界面组装原理，发展了一种廉价的制备高强高导电的石墨烯薄膜技术。
Q：如何进行实验设计？
A：我们课题组的研究思路是向自然学习。众所周知，自然界生物矿化形成天然的鲍鱼壳，其优异的力学性能是由于内部规整的层状结构和丰富的界面作用；受此启发，我们课题组已经证实了界面组装策略是构筑高性能石墨烯薄膜的有效策略，然而如何选择和合理搭配强弱界面作用是关键难点。自然界很多生物组织中（如贻贝足丝、天然沙蚕等）存在丰富的离子键，赋予生物材料优异的力学性能，而GO纳米片表面含有丰富的含氧官能团，有利于与金属离子形成较强的离子键；而在还原之后，其表面sp2共轭结构大部分恢复，有利于与两端含芘基的分子形成高密度的共轭交联作用；因此，我们开发了离子键和π-π共轭作用的有序界面交联策略。
Q：该研究成果有哪些意义？
A：首先，这种综合性能优异的石墨烯薄膜将在柔性电子器件和航空航天等领域具有广阔的应用前景；其次，这种有序交联策略可指导其它一维、二维纳米材料的宏观高性能组装；除此之外，这种仿生构筑策略为天然石墨到宏观高性能石墨烯复合材料的组装提供了一种可行的路径。
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