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写文档时，假如你不小心删除了一段，这时只需按下 “Ctrl+Z”，就能原封不动地恢复被删除的内容。那么，材料是否也可拥有 “Ctrl+Z” 功能，并且外表和内在都能实现可逆性？如下图所示，这是在显微镜镜头下，13500 条氧化石墨烯纤维（Graphene oxide，GO）正在变成一根黑柱子。图 | 氧化石墨烯纤维的融合（来源：高超课题组）而下图则是黑柱子正在分裂成 13500 条氧化石墨烯纤维。
图 | 氧化石墨烯纤维的分裂（来源：高超课题组）
这是浙江大学高超课题组的最新研究，他们把这一成果形容为材料中的 “孙悟空七十二变”。在《西游记》中，为了和妖孽周旋，孙悟空可以变成大山和大树，变完之后还能再变回来。人类并不具备这种可逆本领，但材料可以。北京时间 5 月 7 日，相关论文以《氧化石墨烯基纤维的可逆融合和裂变》（Reversible fusion and fission of graphene oxide-based fibers）为题刊登在[i,Science[/i,上。高超以及该校李拯博士、西安交通大学刘益伦教授担任共同通讯作者，一作为高超课题组的博士生畅丹。图 | 相关论文（来源：[i,Scienc[/i,e）
研究中，该团队利用氧化石墨烯纤维的二维基元结构、及其大体积收缩的动态特性，实现了宏观材料的精确可逆融合与分裂。其中，西安交大刘益伦教授及其博士生刘静冉，对上述过程进行了力学分析和有限元模拟。图 | 本次研究的部分成员（来源：高超课题组）研究原理并不难懂，举例来说你一定听说过破镜难圆，为何破镜无法复原？这是因为镜子摔碎后，分子之间的距离变远，无法再次重新相吸，因而无法重圆。以肥皂泡为例，两个泡能融合成一个泡，但是当一个泡分裂成两个泡时，这时的两个泡已经不再是原来的两个泡，泡泡中的物质组成已经被改变。因此，肉眼可见的外观可逆并不难，难的是显微镜下才能观察到的精确可逆。这也是物质动态组装领域尚未攻克的重大科学难题。图 | 阳光下两个泡泡融合在一起（来源：Pixabay）事实上，就材料的精确可逆，学术界早已做过不少努力。此前，以细胞的融合与分裂为灵感，科学家们在光刺激或热刺激下，实现了聚合物囊泡的融合与分裂，以期应用在药物递送和释放领域。但是，经过融合与分裂的循环后，组装体之间的界面会出现不可逆的物理变化或化学变化，组装体的数量、尺寸、结构和化学组成，均无法完全恢复到初始状态。对于精确可逆的定义，高超表示：“所谓精确可逆，就是物体的数量、尺寸、组分、结构和性能等在一次融合 - 分裂循环之后可以恢复到原始状态。但之前的研究因为在材料界面发生了不可逆的物理或化学变化，所以还没有能够做到精确可逆。”而精确可逆，正是本次浙江大学高超课题组已经攻克的难题。具备天然 “Ctrl+Z” 能力，氧化石墨烯纤维出场如你所知，碳是自然界最稳定的元素之一，而石墨又是碳最稳定的单质。多年来，一直在研究石墨烯宏观组装的高超课题组发现，在厘米级的宏观尺度下，氧化石墨烯纤维不仅能进行变形组装，还能在分解组装后实现复原。这说明，适应性形变的能力，是氧化石墨烯片独有的一种能力，即在宏观尺度上它可实现精确可逆的分裂，也就是具备天然的 “Ctrl+Z” 能力。研究中，他们先把 13500 根氧化石墨烯纤维做成一根刚性柱子，然后再把柱子变成一张柔性网。把实验过程反着来，柔性网又能重新变回柱子。图 | 氧化石墨烯纤维精确可逆的融合与分裂示意图（来源：高超课题组）高超表示：“通过特定的处理方式，氧化石墨烯纤维融合得到的固体材料可以像孙悟空那样，七十二变后再变回原本的样子。也就说，我们这项研究实现了氧化石墨烯宏观固体材料精确可逆的组装。” 这意味着，无论是柱子还是柔性网，其中的氧化石墨烯纤维的物质组成都没有发生任何变化。两次出现 13500 条纤维，究竟是同一个 13500 条纤维吗？2016 年，该课题组就发现，二维的氧化石墨烯片拥有适应性形变能力，他们还利用氧化石墨烯纤维的溶胀能力，融合出一种无纺布。那么，融合后的氧化石墨烯，还能再分裂吗？通过研究他们发现，氧化石墨烯自带多种特殊性质：如丰富的含氧官能团、二维拓扑、超柔性、自粘接。图 | 融合柱与节点融合网之间可逆转变的宏观照片（来源：高超课题组）而且，把多根氧化石墨烯纤维融合后，得到的粗纤维呈现出密度大、孔隙率少、界面结合适中等优势。关于这些优势，高超说：“这就使得材料的亲和力刚刚好，能够很容易地融合到一起，但结合力又不像钢那样强，所以还能分得开。”图 | 典型的氧化石墨烯纤维融合与分裂过程的扫描电镜照片（来源：高超课题组）研究中，他们用 13500 根氧化石墨烯纤维，融合成一根细长的黑柱子，该柱子的直径为 1.2 毫米，能承受 680 倍于自身重量的重力。为了验证氧化石墨烯柱子的精确可逆性，高超等人把黑柱子放在水溶剂中，通过解离再分裂等步骤，能把原先的黑柱子还原成 13500 条纤维。本次论文一作畅丹说：“这个过程中，氧化石墨烯的体积膨胀率达到了近 40 倍，提供了充分的表面形变的空间。”为了验证形变后的氧化石墨烯纤维，是否具备起初的功能，他们把纤维重新编织成柔性网，结果发现柔性网依然具备相应的强度，甚至在网上放置一辆玩具车也不会破。这意味着，利用多根氧化石墨烯纤维在溶胀和收缩过程中的自适应形变，该材料实现了精确可逆融合与分裂。经过分离和再融合的氧化石墨烯纤维 “还是从前那个少年，没有一丝丝改变”，并且依然可作为功能材料来投入使用。图 | 融合与分裂的机理（来源：高超课题组）那么，这时的氧化石墨烯纤维，还能再变回黑柱子吗？于是，他们把柔性网放回水溶剂，这张网再次分解成 13500 条纤维，捞出来后纤维们自动融合在一起，并变回黑柱子模样。就好像《西游记》中的 “真假美猴王” 桥段一样，两个美猴王外表一模一样，总要找出谁真谁假。但该团队不是要找谁真谁假，而是要验证两次出现的 13500 条纤维，究竟是同一个 13500 条纤维吗？为弄清楚该问题，他们使用荧光染料、以及硅纳米颗粒元素标记的方式，证明了每一根纤维的内在结构都完好如初，即经历多次融合和分裂，它们的内在结构没有任何 “串门”。这是因为，由于氧化石墨烯纤维的壳层结构像皮肤一样致密，因此可维持单根组装纤维的完整性，融合与分裂的可逆性也能得到保证。经过融合 - 分裂的循环之后，氧化石墨烯纤维的尺寸、组成、数量、结构和性能，也可恢复到循环前的原始状态。图 | 高超教授、论文一作畅丹及其他团队成员（来源：高超课题组）可回收及智能纤维材料领域迎来新突破高超表示，相比此前研究，他们研究的氧化石墨烯基纤维精确可逆的融合 - 分裂过程，不仅材料尺寸大，而且具备可控性，这对于材料的有效回收和重复利用、以及研究在可逆组装过程中固体界面的独特现象，有着一定启发意义，也会对未来精确可逆的组装产生积极影响。而且，氧化石墨烯基纤维的精确可逆能力，还可复制到其他材料上，比如在尼龙、金属、不锈钢丝、玻璃纤维等表面涂上一层氧化石墨烯，这些材料也可产生 “组装 - 精确还原” 的功能。图 | 典型的应用展示（来源：高超课题组）该团队还发现，相比高分子等纤维，融合氧化石墨烯纤维的力学拉伸强度，不会随着直径增加而出现明显下降，且基本稳定在 287MPa，这打破了经典的 Griffith 理论（断裂力学中的一种理论，依据这个理论往往认为纤维强度与直径成反比）。举例来说，经过热还原之后，100 根融合氧化石墨烯纤维的直径是 58μm，力学拉伸强度高达 597MPa，在制备大直径高性能结构材料方面，这种融合组装方法具备较大优势。就具体的应用来说，该课题组举例称：“利用这种新型的融合方法，可得到承载力更强的结构材料，而一旦完成使命，又能利用分裂特性将其回收，以等待下次使用；同时，融合-分裂的动态响应，很像生物触须的抓取和释放过程，有望在医疗机器手或药物的定向释放等场景得到应用。”该论文的评审专家认为：“该成果代表着可回收及智能纤维材料领域的一个突破。结果具有科学价值，可能引起跨多个研究领域的兴趣。”另据悉，日本长野大学 Rodolfo Cruz-Silva 和美国宾汉顿大学 Ana Laura Elías 在同期[i,Science[/i,发文进行了评论。谈及关于氧化石墨烯纤维的下一步研究，该团队表示：“氧化石墨烯纤维和石墨烯纤维，是我们课题组非常重要的研究内容，我们一方面在努力提高纤维的性能；另一方面，也在积极地探索其新颖的功能性、比如这种独特的可逆融合-分裂现象，希望能通过进一步的机理研究，去获得更多对于二维大分子组装结构的深入理解，并以此来拓宽和指导这种材料在多领域的实际应用。”-End- |
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发表于 2021-5-17 15:38:52
