固體直接發(fā)泡是制備多孔材料最有效的方法。然而，由于強(qiáng)烈的界面相互作用使得固體的可塑性被壓制，這理想的發(fā)泡法無(wú)法制備納米顆粒氣凝膠。在這里，發(fā)明了一種溶致塑化發(fā)泡法，將固態(tài)氧化石墨烯直接轉(zhuǎn)化為氣凝膠塊體和微陣列，取代了常用的冷凍方法。水分子的插入使固態(tài)氧化石墨塑化，使直接發(fā)泡而不是災(zāi)難性破碎。氣泡的形成遵循一般結(jié)晶規(guī)則，納米級(jí)精確控制細(xì)胞壁厚8nm。氣泡團(tuán)簇形成緊密搭接的雙曲面結(jié)構(gòu)，并呈現(xiàn)出超強(qiáng)機(jī)械穩(wěn)定性，具有抗極端變形能力。利用石墨烯氣凝膠制作具有超靈敏和超穩(wěn)定性的觸覺(jué)微陣列傳感器，在人工智能觸摸識(shí)別方面，其精度高達(dá)80%，優(yōu)于人手的觸覺(jué)靈敏度（30%）。
Figure 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。
Figure 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(guān)察了溶致塑化發(fā)泡過(guò)程中氣泡變化。（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）的關(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）的關(guān)系。
Figure 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(xiàn)。（C）石墨烯氣凝膠壓縮循環(huán)性能與的文獻(xiàn)中的性能進(jìn)行對(duì)比。（D-G）拉伸、剪切、彎曲、撕裂過(guò)程的力學(xué)曲線(xiàn)對(duì)比。
Figure 4. 高靈敏度的石墨烯氣凝膠。（A）石墨烯氣凝膠傳感器的結(jié)構(gòu)及SEM圖。（B）傳感器的壓阻變化曲線(xiàn)。（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)行超輕碳?xì)饽z密度的識(shí)別。（F）壓縮距離和阻力關(guān)系的擬合曲線(xiàn)，確定密度。
相關(guān)研究工作由浙江大學(xué)高超教授和許震研究員課題組（第一作者是龐凱博士）于2020年發(fā)表在Science Advances期刊上。原文：Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors。
轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號(hào)
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