西工大官操教授团队：3D打印石墨烯基超材料的最新发展和应用

来源：高分子科技

通过合理设计重复结构单元，超材料可以来实现天然或者化学合成材料所不具备的独特物理特性（机械、电磁、声学等），吸引了研究人员的广泛关注。虽然先进的3D打印技术可以实现超材料复杂结构的快速精确制备，实现其特殊的物理特性，但是传统的3D打印材料主要是聚合物，陶瓷等，这大大限制了超材料的应用前景。而石墨烯由于其优异的理化性质，可以作为超材料的组分材料，赋予超材料多功能性和广阔的应用前景。


最近，西北工业大学的官操课题组等人在国际期刊《Small》杂志上发表题为“3D Printed Graphene-Based Metamaterials: Guesting Multi-Functionality in One Gain”的综述文章。从超材料的结构设计、3D打印石墨烯的策略以及应用等方面，回顾了3D打印石墨烯基超材料的最新进展。最后，展望了3D打印石墨烯超材料的发展机遇与挑战。

文章要点：
1.综述了3D打印石墨烯基超材料的最近进展。

2.介绍了不同类型超材料的结构设计，包括机械超材料，电磁超材料（人造和仿生），声学超材料（主动和被动），主要关注点是结构设计对不同物理性能的影响，而不考虑组成材料的因素。

3.介绍了3D打印技术制备石墨烯基材料的方法，主要是墨水直写技术，熔融沉积成型技术，光聚合技术。墨水直接技术制备3D石墨烯材料主要策略是（1）提高石墨烯的浓度，（2）添加剂调节流变性能，（3）石墨烯片间交联（物理、化学），（4）间接法。熔融沉积成型技术主要是在石墨烯添加各种热塑性材料（聚乳酸，共聚物ABS，聚碳酸酯等），使其在高温下熔融流动。光聚合技术制备3D石墨烯材料主要策略是（1）石墨烯填料法，（2）热解法，（3）模板辅助法。

4.介绍了3D打印石墨烯基超材料在电化学储能器件（电池和超电容），响应器件，电磁波吸收器等方面的应用进展。

5.尽管已经实现制备3D打印石墨烯超材料并将其应用起来，但是仍有许多关键问题亟待解决。未来3D打印石墨烯基超材料的发展方向可以概括为以下几个方面：（1）高效结构的设计，提高其物理性能，比如复合结构，梯度结构；（2）开发高精度高性能的3D打印石墨烯技术；（3）拓展3D打印石墨烯超材料的应用潜力。

图1 3D打印石墨烯基超材料的概要示意图

图2 电磁超材料的人工结构设计

图3 声学超材料的结构设计

图4 光聚合技术制备3D打印石墨烯基材料

图5 3D打印石墨烯超材料用于压力响应装置

图6 3D打印石墨烯基超材料的机遇与挑战

作者简介：
官操，西北工业大学柔性电子研究院教授，国家级青年人才项目获得者，西北工业大学学术委员会委员，分析测试中心副主任，柔性电子前沿科学中心副主任。研究工作主要集中于柔性储能材料和器件。已发表论文100余篇，他引12000余次，H因子60。获2019-2022科睿唯安高被引学者。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/smll.202207833