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基于界面协同作用仿生构筑耐疲劳石墨烯纳米复合材料
注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析
日益流行的柔性可穿戴电子器件，是当前科学研究的一个热点方向。优异的耐疲劳特性是柔性电子器件实现应用的一大先决条件。近日，北京航空航天大学化学院仿生智能界面科学与技术教育部重点实验室的程群峰（点击查看介绍）课题组基于离子键和共价键的界面协同作用，仿生制备了高导电耐疲劳的石墨烯纳米复合材料，其在柔性电子器件领域具有潜在应用。
石墨烯具有优异的力学和电学性能，是最具前景的一种组装柔性电子器件的基元材料。目前，科学家已成功制备出一系列高性能的石墨烯纳米复合材料，包括超高的拉伸强度、韧性以及模量等优异的静态力学性能。然而与柔性电子器件应用密切相关的耐疲劳性能，却很少受关注，限制了石墨烯在柔性电子器件的应用。
根据传统聚合物基复合材料的疲劳断裂机制，在石墨烯纳米复合材料中，应同时抑制平行和垂直于石墨烯纳米片两个方向上的裂纹扩展，才能有效提升其疲劳寿命。程群峰课题组的研究思路是向自然学习，天然鲍鱼壳因其多级次微纳层状结构和丰富的界面相互作用，可以通过裂纹桥连，偏转以及塑性变形等多重机制，大幅抑制裂纹在无机碳酸钙片层平行和垂直两个方向上的扩展，从而表现出超高的断裂韧性。此外，海洋贻贝足丝中的聚合物—金属离子螯合结构，可以在断裂过程中发生巨大的塑性变形，耗散巨大能量，从而赋予优异的力学性能。基于此，程群峰课题组在石墨烯层间构筑聚多巴胺—镍离子（PDA-Ni2+）螯合结构，利用离子键和共价键的界面协同作用，制备了耐疲劳仿生石墨烯纳米复合材料（rGO-PDA-Ni2+）。
图1. 耐疲劳仿生石墨烯纳米复合材料的制备过程。
通过改变Ni2+的含量，可以调节PDA-Ni2+的螯合密度，从而优化该界面协同作用。静态拉伸测试结果表明，当Ni2+的含量为0.88 wt%时，该仿生石墨烯纳米复合材料的拉伸强度和韧性达到最大值，分别为417.2 MPa和19.5 MJ/m3。更重要的是，相比于单一界面交联的rGO-PDA和rGO-Ni2+纳米复合材料，该rGO-PDA-Ni2+仿生石墨烯纳米复合材料具有超高的疲劳寿命。其多重增韧机制结合了离子键和共价键的桥连以及PDA-Ni2+螯合结构的塑性变形，从而导致平行和垂直于石墨烯纳米片两个方向的裂纹扩展被有序协同抑制。
图2. 耐疲劳仿生石墨烯纳米复合材料疲劳寿命曲线、断裂形貌以及疲劳断裂过程示意图。
此外，这种独特的耐疲劳特性使该材料在动态拉伸过程中保持较高的电导率，例如，在290 MPa应力下循环拉伸1 × 105次，该材料的电导率仍高达144.5 S/cm，其电性能的保持率为77%。因此，该种高导电耐疲劳的仿生石墨烯纳米复合材料，可作为超级电容器和锂电池的柔性电极，应用于可穿戴柔性电子器件领域。
这一成果近期发表在《Advanced Functional Materials》上，并被选为当期的正封面，文章的第一作者是北京航空航天大学博士研究生万思杰。
图3. 文章被选为当期AFM正封面
该论文作者为：Sijie Wan, Feiyu Xu, Lei Jiang, Qunfeng Cheng*
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Superior Fatigue Resistant Bioinspired Graphene-Based Nanocomposite via Synergistic Interfacial Interactions
Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1605636, DOI: 10.1002/adfm.201605636
程群峰研究员简介
程群峰博士2016年入选教育部青年长江学者，2016年获中国化学会青年化学奖，2015年获国家优秀青年基金资助，2014年获得第十四届霍英东基金，2012年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”和“北京市科技新星计划”。2003.9-2007.12，毕业于浙江大学，获高分子化学与物理博士学位。2008.1-2009.12，分别在清华大学、美国Florida State University从事博士后研究。2010年1月就职于北京航空航天大学化学与环境学院，2013年6月晋升博士生导师，2015年12月晋升研究员。
主要从事仿生智能纳米复合材料的研究工作，通过构筑不同界面作用，实现对仿生高分子纳米复合材料力学强度和韧性的调控，引入不同功能纳米基元材料和智能响应高分子，制备新型仿生智能高分子纳米复合材料。在国际期刊Acc. Chem. Res.、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. 等上发表SCI论文46篇，其中影响因子>10的论文19篇，SCI引用1400余次，申请美国专利6项，欧洲专利1项，中国专利11项，获中国专利授权7项，是Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater. 等20多个期刊杂志的审稿人。
程群峰
http://www.x-mol.com/university/faculty/19046
课题组主页
http://chengresearch.net/zh/members-cn/
科研思路分析
Q：这项研究的初衷是什么？
A：如上所述，石墨烯因其独特的力学和电学性能，在可穿戴柔性电子器件领域具有巨大的应用前景。为此，科学家已制备出大量高性能的石墨烯纳米复合材料，并尝试将其应用于柔性电子器件中。然而，实现柔性电子器件应用的关键性能之一，也就是其耐疲劳特性，却很少受关注，基于此，我们课题组开展了高导电耐疲劳石墨烯纳米复合材料的相关研究。
Q：如何进行实验设计？
A：我们课题组的研究思路是向自然学习。在前期工作中，受天然鲍鱼壳层状有序结构和丰富界面相互作用的启发，基于界面协同和基元材料协同两种策略，课题组成功制备了一系列高性能的石墨烯纳米复合材料，证实了该仿生协同策略的有效性。为了大幅提升石墨烯纳米复合材料的疲劳寿命，需要引入多重裂纹抑制机制，基于此，我们进一步向贻贝足丝学习，在石墨烯层间通过PDA-Ni2+螯合结构来构筑协同界面相互作用。其优势在于，PDA和Ni2+不仅可以与石墨烯纳米片分别形成丰富的共价键和离子键交联，而且它们之间也可以相互螯合成网络结构，从而可以通过桥连—塑性变形协同机制大幅抑制裂纹扩展，提升疲劳寿命。
Q：本项研究成果的意义有哪些？
A：首先，该界面协同仿生策略可以指导新型耐疲劳石墨烯纳米复合材料的设计；其次，本项工作制备的高导电超耐疲劳石墨烯纳米复合材料,在可穿戴柔性电子器件领域具有广泛的应用前景，例如，可作为超级电容器和锂电池的电极；最后，本项工作也为石墨烯纳米复合材料应用在柔性电子器件领域，提供了参考。