折叠石墨烯有哪些应用？

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皱一张纸，大概注定要被丢进垃圾桶；然而，新的研究表明，反复弄皱纳米材料石墨烯可以增强它的一些特性。在某些情况下，甚至越皱越好。

布朗大学的工程研究表明，石墨烯的疏水性能在多次折叠后会得到显著提高——这种性能对制造自清洁表面非常有帮助。褶皱石墨烯还具有增强的电化学性能，可能对电池和燃料电池的电极更有利。

研究成果发表在杂志上。

折叠年龄

布朗大学的工程研究人员Robert Hurt和Ian Wong为这项研究奠定了良好的基础。此前，该团队表示，通过在石墨烯中引入褶皱，他们可以将用于培养细胞的基底转化为更像体内的复杂环境。对于这一最新成果，博士后研究团队负责人陈柏彦教授表示，他希望建立一个结合褶皱的复杂结构。“我想看看是否有可能创造一个更高层次的结构，”陈教授说。

为了做到这一点，研究人员在收缩膜上沉积了氧化石墨烯——利用了聚合物薄膜受热收缩的事实。当薄膜收缩时，顶部的石墨烯会被压缩，使其起皱。为了观察会产生什么样的褶皱结构，研究人员反复压缩同一个石墨烯。第一次收缩后，膜溶解，然后将石墨烯放入另一个新膜中继续。

在连续收缩中，研究人员尝试了一些不同的配置。例如，有时他们握住薄膜的两端，让它们只沿一个轴收缩。另一方面，由固定膜产生的周期性石墨烯层将在其整个表面上具有基本平行的褶皱。没有被夹住的薄膜会在两个维度，即XY方向收缩，导致石墨烯表面随机起皱。

在几个连续的测试方法中，团队还使用了不同的收缩模式进行测试。例如，他们可能会收缩同一块石墨烯，先夹紧薄膜，然后不夹紧，最后夹紧。或者不夹紧，夹紧再松开。他们还在不同配置的收缩之间旋转石墨烯，有时使其垂直于原始方向。

研究小组发现，这种持续的收缩可以极大地压缩石墨烯片，使其缩小到原来的四十分之一。他们还表示，这种方法可以沿着表面做出一些有趣的图案，比如褶皱可以相互叠加。

布朗大学工程学院教授、论文作者之一罗伯特·赫特(Robert Hurt)教授说:“当你深入研究时，你会发现一个更大的波纹结构，它包含了原来留下的小波纹结构。」

这个收缩是先夹住，松开，再夹住；另一种是不夹紧，然后夹紧再松开，两者看起来明显不一样。另一篇论文的通讯记者王教授说:“操作的顺序将决定最终的结构。”不像二乘三等于三乘二，材料是有‘记忆’的，我们用不同的收缩排序会得到不同的结果。」

研究人员从不同的收缩配置中提出了一种结构分类。然后，他们测试了几种结构，看看它们如何改变石墨烯层的特性。

增强的特性

研究人员发现，褶皱的石墨烯表面会变得超级疏水——它可以防止水分附着在表面。当水接触到疏水表面时，它会形成水滴并向下滑动(当这些水滴与表面的接触角超过160度时——意味着极少水滴能够接触到材料——该材料被认为是超疏水的)。研究人员发现，他们可以从三个松动的收缩褶皱中制造超疏水石墨烯。

该团队还发现，折叠可以提高石墨烯的电化学性能，有利于下一代储能和容量设备。研究表明，与平坦的石墨烯层相比，如果将折叠的石墨烯层用作电池电极，电化学电流密度将提高400%。电流密度的提高将创造出更高效的电池。

“你不需要一种新材料，”陈教授说。“你只需要弄皱石墨烯。」

除了电池和防水涂层，这种压缩石墨烯还可能适用于可拉伸的电子设备——可穿戴传感器。

该小组计划继续使用不同的生产方法在石墨烯和其他纳米材料上制造结构。

王教授说:“不仅是石墨烯，还有许多新的二维纳米材料都具有一些有趣的性质。”“所以其他材料或复合材料也可以形成具有意想不到功能的特殊结构。」

这项研究得到了布朗大学种子基金的资助。陈宝燕得到了Hibbit工程研究员计划的资助，他们支持了优秀的博士后研究人员顺利过渡到独立企业。贾斯基兰吉特·索迪、杨秋、托马斯·m·瓦伦丁、鲁本·施皮茨·斯坦伯格和王中英博士分别是该论文的合著者。