2011-12-22 9:19 办公室
  石墨烯(Graphene),即单层石墨片,是继富勒烯、碳纳米管之后纳米碳家族的一个新成员。由于其丰富而独特的性质,石墨烯在场效应晶体管、透明电极、纳米结构及功能复合材料、超级电容器等领域有着广阔应用前景。在众多制备石墨烯的方法中,从氧化石墨烯前驱体出发是制备石墨烯宏观材料的一种最有效的方法。而在此过程中,如何实现石墨烯在材料中的有序排列成为一个关键问题。如果石墨烯或者石墨烯衍生物在溶液环境中能形成液晶,这将为制备石墨烯有序材料提供一种简单有效的液态组装方法。

  在上海光源SAXS线站工作人员的紧密配合下,浙江大学高超教授研究组近期又发现了氧化石墨烯的手性液晶相行为,这也是观测到的首例二维胶体手性液晶。利用SAXS技术,该课题组在氧化石墨烯手型液晶中观测到了令人信服的的层状结构特征,这也为提出二维胶体扭曲层状边界手性液晶结构模型奠定了坚实的基础。 在氧化石墨烯基础上,他们还首次制备了高强度高导电性的柔性石墨烯纤维,大大开拓了石墨烯液晶的实际应用。此工作发表在Nature Communications上(Graphene Chiral Liquid Crystals and Macroscopic Assembled Fibres. Nature Communications,2011, 2, 571. )。

  他们的实验结果表明:随着浓度的增加,氧化石墨烯溶液会出现无序相——向列相——手性相的转变。从液晶理论出发,同时具有层状结构和连续的螺旋结构,体系应该是层状边界出现连续的螺旋位错而形成的受挫结构。浓度梯度的SAXS实验证明了氧化石墨烯手性液晶中存在的层状结构,并且随着浓度的增加,层间距呈现递减的规律。另外,通过调节液晶分散液中的离子浓度的SAXS实验可以确定形成手性液晶的驱动力在于氧化石墨烯片之间的静电排斥作用(图1)。这些结果都有力地证实了他们提出的二维胶体手性液晶的扭曲层状边界模型(图2)。最后,他们还首次利用氧化石墨烯液晶纺制了连续的高强度高导电性的柔性石墨烯纤维(图3),发展了一种从溶液法制备多功能性碳基纤维的新方法。

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图1:(a-c)浓度递增的氧化石墨烯溶液二维SAXS图 。(d)不同浓度的氧化石墨烯液晶SAXS积分曲线。 (e) 不同离子浓度下氧化石墨烯手性液晶中的层间距变化。


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图2:二维胶体手型液晶的扭曲层状边界模型


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图3:石墨烯纤维和纤维打成的结

                                         (生命科学部 供稿)