?浙大高超團隊等人開發出超快響應的形狀記憶高分子/石墨烯復合材料

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形狀記憶高分子材料可以在外界刺激下按照既定的程序變形，這使得它在驅動器、傳感器、藥物傳輸等方面具有巨大的應用前景。由于高分子材料本身的低導熱系數和緩慢的鏈運動速率，形狀記憶高分子材料的響應速度較其它形狀記憶材料（如形狀記憶合金）仍然具有很大的差距。
主要內容
近日，浙大高超（共同通訊）、許震（共同通訊）團隊與馬列（共同通訊）團隊及其他合作者共同努力，突破了這一響應速度難題。該項工作以高度可拉伸的石墨烯氣凝膠為模板，在其內部構筑由聚己內酯（polycaprolactone，PCL）納米薄膜（2.5-60nm）搭建而成的形狀記憶網絡。其中，石墨烯納米網絡作為快速能量轉換和能量注入通道，PCL納米網絡作為快速能量傳遞和形變載體。這種具有PCL/石墨烯互穿網絡結構的氣凝膠納米復合材料在電信號刺激下，響應時間僅為50毫秒，響應速度達175±40 mm s-1，最大形變約100%。該工作以“Millisecond Responseof Shape Memory Polymer Nanocomposite Aerogel Powered by Stretchable GrapheneFramework”為題發表在ACS Nano上。

圖一.傳統形狀記憶高分子共混復合材料和復合氣凝膠（本文）示意圖
傳統的形狀記憶高分子復合材料多采用與導電添加劑共混的方法制備，從而導致導電網絡到SMP基體的熱傳導距離一般在微米級。然而，高分子材料的熱導率一般都較低(比如本文使用的聚己內酯PC，~0.3 W mK-1)，這就導致傳統的共混形狀記憶高分子材料的響應時間一般在秒級以上。此項研究以高度可拉伸的氣凝膠為模板，在其表面構筑納米級聚己內酯連續納米層（2.5-60 nm），減少熱傳遞距離。
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圖二.a-e，該復合氣凝膠材料的微觀結構
此項研究所使用的可拉伸氣凝膠是基于團隊2018年的“Highly Stretchable Carbon Aerogels”工作（Nat.Commun.2018，9，881）進行展開（《自然·通訊》浙大高超教授團隊研發出高可拉伸全碳氣凝膠彈性體）。利用石墨烯氣凝膠作為快速的能量注入和轉換骨架，實現SMP快速相轉變。最終得到響應時間在毫秒級（50 ms），伸長率在100%以上的超輕復合氣凝膠材料。
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圖三.石墨烯/PCL復合氣凝膠的形狀響應性能
同時，該項工作利用浙大航空航天學院的王宏濤課題組自主開發的原位TEM樣品桿，觀察到復合氣凝膠基本組成單元—石墨烯/PCL復合片在電刺激下的形狀記憶行為。
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圖四.石墨烯/PCL復合單片的形狀記憶行為
該快速響應的超輕復合氣凝膠材料具有廣闊的應用前景，可被設計為超快速熔斷器來保護精密電路，在過載情況下，可在134 ms內斷路，保護用電器。同時，它還可以與電磁鐵結合，做為微型振蕩器。
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圖五.石墨烯/PCL復合氣凝膠的應用
高超教授的博士研究生郭凡為論文第一作者，馬列教授的博士研究生鄭曉聞為論文第二作者。浙江大學高分子科學研究所馬列教授和浙江大學航空航天學院王宏濤教授為這個工作的完成提供了大力支持和合作指導。論文得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等相關經費的資助。

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