氣凝膠是世界上最輕的一類(lèi)物質(zhì)，由于其內(nèi)部有很多孔隙且充滿空氣，故而得名。石墨烯氣凝膠（又名石墨烯泡沫、石墨烯海綿等等）是由二維石墨烯片組裝得到的一種超輕多孔材料，在智能傳感、能量?jī)?chǔ)存、吸附及隔熱隔聲等各領(lǐng)域展示了巨大的應(yīng)用潛力。
目前，無(wú)論是模板法或者“溶膠-凝膠”法等，所得到的石墨烯氣凝膠都是從石墨烯前驅(qū)體稀溶液而來(lái)，組裝結(jié)構(gòu)機(jī)械穩(wěn)定性差，難以經(jīng)受復(fù)雜變形；同時(shí)，復(fù)雜的冷凍干燥工藝限制了其大規(guī)模連續(xù)化與高精度微型化制備，不利于其規(guī)；瘧(yīng)用。
相比之下，生活中常見(jiàn)的聚合物泡沫工藝簡(jiǎn)單，可直接從固體聚合物通過(guò)熱塑性發(fā)泡得到，且制備的泡沫具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，其中熱塑性是聚合物進(jìn)行發(fā)泡及維持優(yōu)異機(jī)械穩(wěn)定性的前提。但是，對(duì)于石墨烯而言，其熔融溫度高，很難滿足熱塑性的要求，因此如何實(shí)現(xiàn)石墨烯材料的固態(tài)發(fā)泡仍是巨大的挑戰(zhàn)。
浙江大學(xué)高分子系高超教授、許震研究員、劉英軍副研究員團(tuán)隊(duì)揭示了二維氧化石墨烯片層的溶致塑性，提出了“溶致塑化發(fā)泡”的方法實(shí)現(xiàn)了石墨烯氣凝膠的大規(guī)模連續(xù)化與高精度微型化制備，可比擬聚合物泡沫的“熱塑發(fā)泡”制備方法。同時(shí)，“溶塑發(fā)泡”的石墨烯氣凝膠具有與聚合物泡沫同樣優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)體育系彭玉鑫研究員合作，開(kāi)發(fā)了超靈敏的石墨烯氣凝膠微陣列觸覺(jué)傳感器，通過(guò)人工智能算法，石墨烯氣凝膠手指?jìng)鞲衅髡宫F(xiàn)了超出人手的觸覺(jué)靈敏度。相關(guān)成果以“Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors”為題發(fā)表在Science Advances（Sci. Adv. 2020; 6 : eabd4045）。論文的第一作者為高超團(tuán)隊(duì)的博士生龐凱。該論文得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江大學(xué)百人計(jì)劃等相關(guān)經(jīng)費(fèi)資助。
工作亮點(diǎn)
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（1）提出了溶致塑化發(fā)泡的方法。揭示了二維氧化石墨烯的溶致塑性，實(shí)現(xiàn)了由固態(tài)氧化石墨烯膜連續(xù)化、大規(guī)模發(fā)泡制備氣凝膠，為其它納米材料氣凝膠的制備提供了新原理和新方法；且通過(guò)經(jīng)典氣泡成核與生長(zhǎng)定律可實(shí)現(xiàn)氣凝膠壁厚與孔徑的精確控制，為氣凝膠的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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（2）所得石墨烯氣凝膠具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性。受益于溶致塑化與氣泡張力的共同作用，極大地消除了氣凝膠中的搭接缺陷，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的緊密結(jié)合，賦予氣凝膠優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，可耐受實(shí)際環(huán)境中的復(fù)雜形變。
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（3）開(kāi)發(fā)了超靈敏石墨烯氣凝膠微陣列觸覺(jué)傳感器。所打印的微陣列傳感器最小可達(dá)到微米級(jí)別，結(jié)合深度機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了材料種類(lèi)及表面字母的精準(zhǔn)識(shí)別，正確率達(dá)到80%以上，遠(yuǎn)超出人手的觸覺(jué)靈敏度（人手正確率~30%）。
圖1. 溶致塑化發(fā)泡石墨烯氣凝膠的制備及機(jī)理。（A）溶致塑化發(fā)泡的過(guò)程。（B）氧化石墨烯中水分子的插入實(shí)現(xiàn)片層塑化。（C）隨著氣泡的成核與生長(zhǎng)氧化石墨烯片緩慢的發(fā)生塑化滑移形變，直至穩(wěn)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(jié)構(gòu)模型圖。
視頻1. 氧化石墨烯膜的發(fā)泡過(guò)程。
圖2. 氣泡的成核與生長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)控制。（A）通過(guò)光學(xué)顯微鏡原位觀察了溶致塑化發(fā)泡過(guò)程中隨氣泡成核密度（發(fā)泡劑濃度）及氣泡生長(zhǎng)時(shí)間，氣泡尺寸的變化圖。（B）氣泡在成核和生長(zhǎng)過(guò)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）關(guān)系符合T=33Nn-1.0關(guān)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(zhǎng)時(shí)間（t）與所得氣凝膠的密度（ρ）符合ρ=13.3t-0.2關(guān)系，其中密度主要是由氣凝膠孔徑尺寸決定。
視頻2. 利用超薄的氧化石墨烯膜在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行原位發(fā)泡過(guò)程觀察。
圖3. 溶致塑化發(fā)泡石墨烯氣凝膠的機(jī)械穩(wěn)定性。（A）將大塊石墨烯氣凝膠反復(fù)折疊壓縮進(jìn)入到一個(gè)細(xì)長(zhǎng)彎管中，氣凝膠結(jié)構(gòu)未遭到破壞且未出現(xiàn)明顯的碎屑脫落。（B）石墨烯氣凝膠在90%的應(yīng)變下經(jīng)過(guò)105次循環(huán)的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。（C）石墨烯氣凝膠壓縮循環(huán)性能的文獻(xiàn)對(duì)比。（D-G）拉伸、剪切、彎曲、撕裂過(guò)程的力學(xué)曲線對(duì)比。
視頻3. 石墨烯氣凝膠反復(fù)折疊經(jīng)過(guò)細(xì)管的過(guò)程。
圖4.高靈敏度的石墨烯氣凝膠。（A）直寫(xiě)打印發(fā)泡制備得到的石墨烯氣凝膠傳感器的結(jié)構(gòu)及掃描示意圖。（B）傳感器的壓阻變化曲線。（C）傳感器的壓阻疲勞穩(wěn)定性。（D）所制備的傳感器與文獻(xiàn)對(duì)比。（E）將傳感器固定于機(jī)械手上進(jìn)行不同碳?xì)饽z密度的識(shí)別。（F）利用機(jī)械手相對(duì)碳?xì)饽z的壓縮距離及所得電阻的變化作為信號(hào)輸入，結(jié)合高斯核算法，實(shí)現(xiàn)了其密度確定。
圖5.石墨烯氣凝膠的人工智能微陣列傳感器。（A）將手掌覆于10x10的石墨烯氣凝膠陣列傳感器上（單個(gè)尺寸0.5x0.7mm），得到了（B）手掌的壓力分布。（C）8x8的微陣列傳感器，其中單個(gè)尺寸在300微米左右。（D）將帶有微陣列傳感器的機(jī)器手固定于機(jī)械臂上進(jìn)行不斷的字母圖案觸摸，進(jìn)行字母識(shí)別。（E）人工智能識(shí)別主要包括：數(shù)據(jù)采集、圖像轉(zhuǎn)化及深度機(jī)器學(xué)習(xí)。其中機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程中的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集是公用數(shù)據(jù)集。（F）采集到的字母信號(hào)圖。（G）人工智能手指及人手指對(duì)于字母的識(shí)別準(zhǔn)確率對(duì)比。（H）利用采集到的字母信號(hào)進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，可實(shí)現(xiàn)100%的字母識(shí)別率。
本文提供了一種快速、高效的制備超輕、機(jī)械穩(wěn)定石墨烯氣凝膠的溶致塑化發(fā)泡方法，對(duì)于其機(jī)理進(jìn)行了較深入的研究，解決了氣凝膠微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制的難題，實(shí)現(xiàn)了石墨烯氣凝膠的大規(guī)模制備與AI應(yīng)用展示，同時(shí)為其他納米材料（如納米纖維素等）進(jìn)行氣凝膠組裝提供了新的普適性方案。該工作在高超教授團(tuán)隊(duì)前期積累和前人經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上完成（Advanced Materials 2013, 25, 2554；2017, 29, 1701482; Nature Communications 2018, 9, 881）。
原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/46/eabd4045
