Matter：长链π-π堆积作用交联超强石墨烯薄膜丨CellPress论文速递

高性能多功能的石墨烯薄膜，将来有望替代商用碳纤维织物复合材料，应用于航空航天和柔性电子器件领域。如果能在室温下将丰富且价格低廉的天然石墨组装成高性能的石墨烯薄膜，将大大促进这种材料的规模化制备。目前，低温氧化法已经可以有效地将石墨剥离成高质量的氧化石墨烯（Graphene oxide，GO）纳米片，但如何将GO纳米片组装成宏观高性能的石墨烯薄膜材料仍然是一个技术难点。

北京航空航天大学程群峰教授课题组受天然鲍鱼壳的启发，提出通过构筑不同的界面类型，提升石墨烯层间界面相互作用，进而提高石墨烯薄膜的物理化学性能。近日，在前期研究的基础上，程群峰教授课题组又设计了一种长链π-π堆积作用交联剂，将还原后的GO纳米片交联成超强超韧高导电的石墨烯薄膜。相关论文于5月15日发表在Cell Press细胞出版社旗下材料学旗舰期刊Matter上。

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天然鲍鱼壳具有优异的断裂韧性，且具备如下特点：（1）室温生长；（2）有序的有机-无机交替层状结构；（3）丰富的界面相互作用。受此启发，北京航空航天大学程群峰教授课题组近年来开始开展研究，通过构筑不同的界面类型，提升石墨烯层间界面相互作用。

论文图形摘要

石墨烯纳米片表面具有大面积的sp2结构，可以为π-π堆积作用提供丰富的交联位点，从而有利于提升界面强度。此外，相比于其它界面作用，π-π堆积作用可维持石墨烯纳米片的共轭骨架结构，因此，π-π堆积作用可以同时提升石墨烯薄膜的拉伸强度和导电性能。然而，由于π-π堆积作用使用的交联剂通常为小分子，其极大地限制了石墨烯纳米片在拉伸过程的滑移，因此很难大幅度提高石墨烯薄膜的性能。

πBG薄膜的力学、电学和电磁屏蔽性能

而此次发表的研究即是程群峰教授课题组在前期研究的基础上，设计了一种长链π-π堆积作用交联剂，将还原后的GO纳米片交联成超强超韧高导电的石墨烯薄膜。该长链π-π堆积作用交联剂由10，12-二十二碳二炔二酸二芘甲酯单体聚合组成；其不仅可以通过两端的芘基与相邻的石墨烯纳米片交联，而且可以通过二炔基团1，4-加成聚合成长链分子。制得的长链π-π堆积交联的石墨烯（π-bridged graphene，πBG）薄膜的拉伸强度和韧性分别达到1054 MPa和36 MJ/m3，为目前文献报道的最高值；其电导率为1192 S/cm，与高温处理的石墨烯薄膜相当。由于长链π-π堆积作用可提升石墨烯纳米片的规整度，因此该πBG薄膜具有高效的电磁屏蔽效能。

πBG薄膜在循环拉伸和弯折时的性能稳定性

此外，在循环拉伸和折叠变形下，该πBG薄膜还具有超高的抗疲劳性能和优异的性能稳定性。更重要的是，该工作通过原位拉曼表征和分子动力学模拟，揭示了长链π-π堆积作用的强韧机理，为其它纳米基元材料的高性能组装提供了重要的理论指导。

石墨烯薄膜是面向未来的新材料，在航空航天和柔性电子器件领域有着广阔的应用前景。结合先进的规模化制备技术，程群峰教授课题组提出的长链π-π堆积作用交联策略，为制备高性能石墨烯纳米复合材料开辟了新的思路。

关于 程群峰教授

程群峰，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师。2003年获河南大学学士学位，2008年获浙江大学高分子化学与物理博士学位，随后分别在清华大学、美国佛罗里达州立大学从事博士后研究。2010年就职于北京航空航天大学化学学院，2016年入选教育部青年长江学者，2016年获得中国化学会青年化学奖，2015年获国家优秀青年基金资助，2014年获第十四届霍英东基金资助，2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“北京市科技新星”。

程群峰教授研究团队主要从事仿生纳米复合材料的研究工作，围绕纳米复合材料的“界面作用及协同效应”这一关键科学问题，取得了一系列研究进展，提出了一种仿生构筑高强、高韧纳米复合材料的普适性策略。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下全新材料科学期刊Matter上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Ultrastrong Graphene Films via Long-Chain π-Bridging

论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30022-0

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.04.006

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