近日，美國萊斯大學的科學家們開發(fā)出一種由石墨烯泡沫制造三維導電物體的簡單方法，為能量存儲和柔性電子傳感器等應用帶來了新的可能性。

背景

如果說有一種新材料極有可能掀起一場席卷全球的新技術新產業(yè)革命，那么許多人都會想到石墨烯。這種由單層碳原子組成的蜂窩狀結構，具有許多優(yōu)異的特性，例如輕薄、柔韌性好、輕度高、導電導熱性極佳等等。

作為時下非常熱門的新材料與新技術，筆者之前介紹過許多有關石墨烯的創(chuàng)新研究成果，涉及石墨烯的特性研究、制備方法、實際應用等。

從實際應用的角度來說，石墨烯在柔性電子、高效晶體管、新型傳感器、新材料、電池、超級電容、半導體制造、新能源、通信、太赫茲技術、醫(yī)療、航天能源技術、分子電子等諸多領域都有著重要的價值，因此極具商業(yè)前景，也是全球各國都在著力研究的戰(zhàn)略性材料。

然而，通過低成本、易操作、高效率的制備方法制備出高質量的石墨烯，對于石墨烯大規(guī)模生產和商業(yè)應用來說非常關鍵。例如，筆者曾經(jīng)介紹過“微流化法”、“爆炸法”、“激光誘導法”等制備方法。

今年2月份，筆者曾介紹過美國萊斯大學化學家James Tour 的實驗室將激光誘導制備的石墨烯（LIG）“燒入”紙張、衣服、 煤炭和特定食物，甚至是吐司面包中。

（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）

將LIG圖案寫入目標材料中，可作為超級電容、燃料電池的電催化劑、RFID天線、生物傳感器等使用。舉例來說，LIG圖案可作為食品上的RFID標簽，記錄食品生產地址、生產日期等信息；也可以作為傳感器，檢測食品中的大腸桿菌和其他微生物。此外，Tour 表示，柔性可穿戴電子器件將成為這項技術的早期市場應用，例如將導電線放置到衣服中，可用于加熱衣服或者添加傳感器或導電圖案。

（圖片來源： 萊斯大學 / Jeff Fitlow）

創(chuàng)新

（圖片來源： 萊斯大學）

關于這項技術細節(jié)的論文發(fā)表在《先進材料（Advanced Materials）》雜志。

技術

2014年，該實驗室就曾通過激光加熱廉價的聚酰亞胺塑料板，首次制造出激光誘導石墨烯。激光燃燒掉大約一半的塑料，將其頂部轉化為互相連接的二維碳薄片，這種二維碳薄片仍然與底部的一半保持連接。LIG會在室溫下以宏觀圖案的形式制造出來。Tour 表示，該實驗室已經(jīng)將他們技術的拓展用于在木頭甚至食物上制造LIG，但是迄今為止還無法制造出純石墨烯制成的三維物體。

Tour表示：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)構造出一個原型機器，通過自動的連續(xù)分層和激光照射，將石墨烯泡沫制造成三維物體。這樣無需熔爐或者金屬晶體，真正地將石墨烯帶到了三維，而且我們的工藝很容易擴展?！?/p>

（圖片來源： 萊斯大學）

（圖片來源： 萊斯大學 / Tour Group）

Duy Xuan Luong表示，乙二醇粘合劑會在一個熱的盤子上被蒸發(fā)掉，任何剩余的聚酰亞胺都會在熔爐中被去除掉。這樣就剩下了原始狀態(tài)的海綿狀的碳塊。萊斯實驗室堆疊了多達5層的泡沫，然后采用在一個改良的三維打印機上的光纖激光系統(tǒng)，將碳塊磨成復雜的形狀。

（圖片來源： 萊斯大學 / Tour Group）

價值

實驗室制作了概念驗證階段的鋰離子電容器，它采用三維LIG作為陽極和陰極。陽極的質量比容量是354毫安時每克，接近石墨的理論極限，而陰極的容量超越其他碳材料的平均容量。970次充放電循環(huán)之后，經(jīng)過完整測試，電池可以保持70%的容量。