【人物与科研】浙江大学高超教授课题组Adv. Mater.：高性能、低成本石墨烯共振吸声泡沫

导语

浙江大学高超教授课题组在石墨烯宏观组装材料的开发及产业化应用做了一系列的开创性工作。2013年课题组所提出的超轻气凝胶曾被Nature两次高度评论，获最轻固态材料吉尼斯世界纪录认证，授予Gold Kangaroo World Innovation Award，并入选两院院士评选2013年中国十大科技进展新闻。为推进超轻气凝胶材料的产业化发展，2020年课题组提出了利用溶塑发泡的技术实现连续化、批量化制备石墨烯气凝胶的策略（Science Advances,2020, 6(46):eabd4045），大大降低了气凝胶材料的成本。在前期工作的基础上，作者通过将溶塑发泡的工艺与聚合物泡沫材料结合，在聚合物骨架上构建了二维超薄石墨烯鼓结构，类比传统架子鼓内的空腔共振效应，将商用泡沫材料的吸声性能提升了320%，该工作以“Highly efficient cellular acoustic absorber of graphene ultrathin drums”为题发表在Adv. Mater.（DOI: 10.1002/adma.202103740）上。

高超教授课题组简介

浙江大学高分子科学与工程学系纳米高分子课题组，由国家杰出青年基金获得者高超教授领衔，目前课题组共有教授1名，特聘研究员1名，副教授1名，特聘副研究员1名，科研助理2名，专职科研人员4名，博士后11名，博士生14名，硕士生17名。团队目前建有石墨烯组装（A. Lab）、石墨烯复合材料（C. Lab）、新能源材料（E. Lab）3个实验室。

高超教授简介

高超，浙江大学求是特聘教授、博士生导师、高分子科学研究所所长，浙江省科协第十届委员会常委、委员，浙江大学学术委员会委员。主要从事石墨烯化学与组装等方面的研究。在Science、Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acc. Chem. Res.等期刊发表SCI收录文章230余篇，他引16000余次。获批基金委重大项目、重点项目，承担军科委、装发等多家单位的重要科研项目。编著《石墨烯宏观材料及应用》专著1本，共同主编Wiley出版的英文专著1本。授权中国发明专利近百项，授权美国专利1项，日本专利3项，欧洲专利1项，俄罗斯专利1项，完成78项中国发明专利权转让。担任Advanced Fiber Materials、 Carbon Energy、Nano-Micro Lett.、《中国科学：化学》、《功能高分子学报》等期刊编委，中国能源学会专家委员会委员。入选国家第二批“万人计划”科技创新领军人才、科技部“创新人才推进计划中青年科技创新领军人才”、“浙江省151人才工程第一层次培养人员”、“Academician of Asia-Pacific Academy of Materials (APAM)”，获得“钱宝钧纤维奖 青年学者”、国家杰出青年科学基金、“Gold Kangaroo World Innovation Award”、“第十二届浙江省青年科技奖”、“浙江大学十大学术进展”等人才计划或荣誉。

许震研究员简介

许震，博士，浙江大学“百人计划”特聘研究员。主要从事二维高分子凝聚态及石墨烯材料的可控制备和性能研究，主要学术成绩有提出二维大分子构象工程理论、二维胶体超液晶、发现二维材料近固态塑化现象、推进了石墨烯纤维的高性能化和多功能化等。以一作及通讯发表文章40余篇，H因子40。入选爱思唯尔2020中国高被引学者、国家优秀青年基金。

刘英军副研究员简介

刘英军，博士，浙江大学特聘副研究员。2017年6月获得浙江大学理学博士学位；2017年7月-2020年3月在浙江大学高超教授课题组从事博士后研究；2020年4月加入浙江大学高分子科学与工程学系。近年来主要从事新型石墨烯纤维/薄膜材料的高性能化及连续化制备研究，在Sci. Adv.、Adv. Mater.、ACS Nano、Carbon等期刊上发表论文30余篇，授权多项中国发明专利。承担国家自然科学基金青年基金、中国博士后创新人才支持计划项目、博士后科学基金项目。荣获浙江大学启真杯学生十大学术新成果奖、中国纺织工程学会首届优秀博士学位论文奖。

前沿科研成果

高性能、低成本石墨烯共振吸声泡沫

论文的主要设计思想：一方面是利用传统聚合物泡沫自身优异力学稳定性及低成本的优势，另一方面是充分发挥二维超薄石墨烯鼓的共振效应增强整体声波损耗能力（如图1）。

图1. 石墨烯吸声泡沫的结构及原理图

（来源：Adv. Mater.）

为了实现上述设计思路，作者采用浸渍的方法将氧化石墨烯片层结合到聚合物泡沫骨架上；其次，采用溶塑发泡将骨架上的氧化石墨烯进行发泡，从而构建多层超薄石墨烯纳米鼓（图2）。

图2. 石墨烯吸声泡沫的制备

（来源：Adv. Mater.）

作者利用超薄的石墨烯作为模型，结合压电薄膜从实验的角度上证明了石墨烯鼓中膜的厚度越薄则更容易产生共振，为高性能吸声泡沫的研究提供了理论支撑。同时，有限元模拟计算结果也可证实这一结论（图3）。

图3. 超薄石墨烯纳米鼓

（来源：Adv. Mater.）

实验结果对比证实了具有超薄石墨烯鼓结构的泡沫相比商用泡沫的平均吸声系数可提高320%，且这一结果超过大部分已报道材料（图4）。

图4. 吸声性能测试

（来源：Adv. Mater.）

图5. 石墨烯吸声泡沫的应用研究

（来源：Adv. Mater.）

最后，作者利用泡沫构筑了吸声箱，在真实的声频及音乐环境下对比证实了石墨烯吸声泡沫具有明显优异的吸声效果。

总结：

作者利用二维超薄石墨烯的共振效应，简单快速地将低成本泡沫转化为高性能吸声材料，推动了石墨烯材料的产业化发展，且为二维超薄材料在声学共振领域的进一步研究提供了新的设计思路。第一作者为浙江大学高分子新物质创制国际研究中心、高分子科学与工程学系博士后庞凯，其中博士后刘晓婷为共同第一作者。该论文得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江大学百人计划、中央高校专项基金等相关经费的资助。

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