亿万年的进化赋予了天然生物材料（如骨骼、树木）极其精妙的多级、多尺度结构。得益于此，即使其基本构筑单元的种类有限且性能平平，此类生物材料仍表现出一系列优异性能和复杂功能，因此也成为科研界开发具有卓越性能及功能的先进材料的灵感来源。随着纳米技术的发展，研究人员已通过自组装、模板导向及3D打印等方法制备出了多种具有多级结构的仿生材料。然而，对于多级结构的控制往往局限于宏观或微观尺度范围内，而涵盖纳米到宏观尺度的多级结构的可控制备鲜有工具。
近日，清华大学深圳国际研究生院丘陵副教授与成会明院士课题组在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了题为“3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures”的文章（DOI: 10.1002/adfm.202105879）。该文章提出了一种基于3D打印模板引导组装的方法，以石墨烯为基本构筑单元，实现了多尺度多级结构的精确制备。该方法结合了数字光处理（DLP）3D打印对介观到宏观尺度结构的精细定制能力以及石墨烯可控自组装对纳米到微米尺度结构的调控能力，从而实现了特征尺寸由纳米至厘米跨越七个数量级的多级结构控制。该方法可以拓展到其他二维材料以及陶瓷材料的多级结构的制备，为多尺度可设计结构的制备提供新思路。
实验结果表明，通过对于多级结构的合理设计，可以赋予三维石墨烯宏观体一系列优异的性质。例如，通过不同尺度范围内有序结构的组装，使制备出的石墨烯结构具有超高模量（高于其他超轻多孔材料10倍以上）及超弹性（可由95%的压缩应变完全恢复）等优异力学性能。此外，具有高机械强度及精巧设计的石墨烯结构可实现破纪录的超低密度（低至0.08 mg/cm3,空气密度的1/15）、超高的有机溶剂吸收能力（可吸收高达自身重量2060倍的氯仿）以及高电导率等特性。
图1多尺度石墨烯结构的制备流程及高自由度结构设计
图2 不同尺度下的多级结构特征
图3可定制的力学行为：(a,c)高刚度；(b,d)超弹性
图4 多尺度石墨烯结构的多样化应用：(a-b)超轻高模量材料；(c)超高有机溶剂吸收能力；(d)作为模板实现功能材料的复杂多级结构制备（左至右：氧化钛、二硫化钼/石墨烯、氧化铝）
原文链接
Zhou, J., Wu, X., Chen, Y., Yang, C., Yang, R., Tan, J., Liu, Y., Qiu, L., Cheng, H.-M., 3D Printed Template-Directed Assembly of Multiscale Graphene Structures. Adv. Funct. Mater. 2022, 2105879.
https://doi.org/10.1002/adfm.202105879
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