《ACS Omega》：光固化制备氧化石墨烯液态晶体

导读：石墨烯是已知最强的材料。然而，将这种强度从微观层面转化为更有实用价值的宏观层面的挑战仍然没有实现。从氧化石墨烯液晶中制备固体结构，可以制造出具有优良机械性能的纸张和纤维。传统上通常使用真空过滤、湿法纺丝和冷冻干燥技术进行此结构。现在3D打印技术也能用于制造氧化石墨烯液晶固体结构了，而且获得的强度水平极高，如果你感兴趣，就跟随南极熊一起看下去吧！

2022年6月28日，南极熊获悉，来自蒙特利尔康考迪亚大学的研究人员正在探索氧化石墨烯液晶的光固化3D打印技术，以使材料具有前所未有的强度水平。他们的研究已经发表在 《ACS Omega》期刊上，题目为《Photocuring Graphene Oxide Liquid Crystals for High-Strength
Structural Materials》（《光固化氧化石墨烯液态晶体用于制备高强度的结构材料》）。


十多年来，石墨烯一直成为头条新闻，它是有望解决许多工程挑战的神奇材料之一。该材料具有高强度重量比、出色的导热性和导电性、耐腐蚀性和耐磨性。但是很遗憾，人们还没有能够将石墨烯用于实际应用的能力，这也是许多研究人员一直研究的重点。

南极熊获悉，Concordia团队现正在使用光固化技术生产自组装氧化石墨烯结构。他们所制备的氧化石墨烯片的尺寸很大，而且十分复杂。


△通过光固化生产的大型氧化石墨烯片

石墨烯——已知最强的材料
Novoselov等人于2004年发现了石墨烯，并因此获得了诺贝尔物理学奖。石墨烯只有一个原子厚，比人的头发细大约一百万倍，但杨氏模量为1TPa，抗拉强度130GPa, 这是迄今为止已知的最强材料。

将氧化石墨烯片自组装成液晶是一种有前景的方法，因为这些从这些液晶中可以制备所需的宏观结构。到目前为止，已经产生了大量的宏观（尽管很薄）的结构，例如纸、纤维和气凝胶。有许多生产这些结构的方法，包括湿纺、冷冻干燥和真空过滤。虽然这些方法可以保持液晶相中的有序结构，但用这些方法产生的固体结构的厚度和复杂性都会受到限制。


△各种氧化石墨烯片的 SEM 成像。

光固化打印
为了解决传统制造的局限性，Concordia团队选择了光固化技术。为了制备氧化石墨烯片，他们首先将石墨烯分散在酒精中，并混合在一种市售的光引发剂中，与目前许多3D打印树脂中使用的光引发剂相同。


△打印材料制备过程

研究人员发现，利用紫外线将石墨烯从液态转变为固态，他们可以成功地将所得混合物固化成氧化石墨烯薄片。研究人员还对新型光固化氧化石墨烯纸进行了拉伸测试，结果表明其机械性能与通过常规真空过滤制备的基准氧化石墨烯纸相当。


△拉伸测试

展望


研究人员证明了利用光固化制备氧化石墨烯液晶是可行的。与目前的真空过滤或湿纺等方法相比，光固化氧化石墨烯液晶可实现更厚且可能更复杂的结构。Concordia 团队希望将这种方法应用于全尺寸立体光刻3D打印，以期制造出由石墨烯制成的大型 3D 结构。

原文链接:https://doi.org/10.1021/acsomega.2c02084