恼人褶皱能带给石墨烯哪些新的生命力?

材料牛注：[布朗大学]–揉皱一张纸，它大概就注定要被丢往垃圾桶；但新的研究显示，反复揉皱纳米材料石墨烯，反而能增强它的一些特性。在某些情况下甚至是越皱越好。

布朗大学工程研究表明，石墨烯在经过多重褶皱后，疏水性质会显着提升──此性质在制造自净表面时很有帮助。褶皱石墨烯还具有增强的电化学性能，这可能对电池和燃料电池的电极更加有利。

研究结果发表在杂志AdvancedMaterials.上。

【褶皱时代】

布朗大学工程研究员：RobertHurt和IanWong，两位先前的工作为这次研究奠定了良好的基础。团队稍早表示，通过引入折皱到石墨烯，他们可以让用于培养细胞的基片，转变为更像在体内的复杂环境。对于这个最新成果，一个博士后的研究团队领导人：Po-YenChen教授表示他想建立结合褶皱的复杂结构。“我想看看是否有创造更高层次结构的可能，”陈教授说。

为了要做到这一点，研究人员将氧化石墨烯沉积到收缩膜上──利用聚合膜在加热时便会收缩的特性。当薄膜收缩时，在顶部的石墨烯就会被压缩，使其产生褶皱。为了要观察会产生什么样的褶皱结构，研究人员便对同一石墨烯重复压缩。在第一次收缩后，将膜溶解掉，然后取石墨烯置于另一个新的膜再继续。

在连续几次的收缩中，研究人员试验了一些不同的配置。例如，有时他们夹着薄膜相反的两端，让他们仅沿着单轴收缩。而固定薄膜产生的周期性石墨烯层，基本上平行的褶皱会遍布它的表面。没有夹住的薄膜则会在两个维度收缩，即XY方向，产生出了随机且皱巴巴的石墨烯表面。

在连续几次的试验方法中，该团队也用了不同的收缩模式来测试。例如，他们可能会收缩同一片石墨烯，先是夹住薄膜、然后没有夹住、最后再夹住。或者没夹、夹紧、再松开。他们也在不同配置的收缩间转动石墨烯，有时会使其垂直于原来的方向。

研究小组发现，这种连续收缩的做法可以大大地压缩石墨烯片，使他们缩小到原来尺寸的四十分之一。他们还表示，此方法可以沿着表面制作出一些有趣的图案，例如：褶皱可以互相叠加到彼此身上。

布朗大学工程学院教授及论文通讯作者之一的RobertHurt教授说：「当你更深入探讨时，你会发现更大的波纹结构，其蕴含了先前留下的原始小波纹结构。」

这个收缩是先夹住、松开、再夹住；另一个则是先不夹、再夹、再松开，两者看起来显然有所不同。另一篇论文的通讯作者王教授说：「操作的顺序将会决定最终的结构。」「这不是像乘法二乘三相当于三乘二，材料具有『记忆性』，而且在我们利用不同的收缩排序时会得到不同的结果。」

研究者想出了一种源于不同收缩配置的结构分类法。接着他们测试了几种结构，看看他们如何改变石墨烯层的特性。

【增强的特性】

研究人员发现，一个皱巴巴的石墨烯表面会变的超疏水──能够防止表面附着水分。当水接触到疏水表面时，便形成水珠并滑落（当这些水珠与表面的接触角超过160度──意指极少的水珠表面能接触到材料──该材料便被认为是超疏水性）。研究人员发现，他们可以用三个松开的收缩褶皱做成超疏水石墨烯。

该小组还发现，褶皱可以提高石墨烯的电化学性质，其有利于下一代的储能和产能设备。研究显示，相较于平坦的石墨烯层，若用褶皱石墨烯层作为电池电极时，将会提高400%的电化学电流密度。其在电流密度上的提升将会造就更多的高效电池。

「你并不需要一个新材料」，陈教授说：「你只需要将石墨烯弄皱。」

除了电池和防水涂料，这种压缩方式的石墨烯或许也能适用于可拉伸的电子器件──穿戴式传感器。

该集团计划继续用不同的生产方式在石墨烯和其他纳米材料上制造结构。

王教授说：「不只是石墨烯，现在有许多新的二维纳米材料也都具有一些有趣的性质。」「所以其他材料或复合材料也能组成具有意想不到功能的特殊结构。」

这项研究是由布朗大学的种子基金支持。陈宝颜被Hibbit工程研究员计划所赞助，他们支持优秀博士后研究员，使其能顺利过渡到成立一个独立企业。JaskiranjitSodhi、YangQiu、ThomasM.Valentin、RubenSpitzSteinberg和ZhongyingWang博士分别为论文的合作作者。