碳管、石墨烯是有著特殊結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的一維、二維納米材料，具有優(yōu)異的各向異性電、力、熱學(xué)特性。因而，獲得宏觀碳管/石墨烯多維有序結(jié)構(gòu)將會更大限度地發(fā)揮碳納米結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)異性能，是高性能復(fù)合材料與器件研究的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

    中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所陳韋課題組在碳管/石墨烯高濃度分散及液晶性取向結(jié)構(gòu)調(diào)控研究的基礎(chǔ)上（ACS NANO, 2010, 4, 1042），成功發(fā)展了高性能碳管和石墨烯柔性電極材料，重點(diǎn)研究了天然生物高分子/碳管/離子液體“三明治”復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了生物相容性、空氣低壓（<3v)穩(wěn)定電致伸縮、類天然肌肉驅(qū)動(dòng)特性（Adv. Mater., 2010, 22, 3745)；重點(diǎn)研究并獲得了在離子液體分散和預(yù)膨脹下平行取向石墨烯片層結(jié)構(gòu)的電化學(xué)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)98%的應(yīng)變驅(qū)動(dòng)（Chem. Commun., 2012, 48, 3978)。

    在此基礎(chǔ)上，近期該課題組進(jìn)一步發(fā)展了基于碳管/石墨烯三維全碳電極的離子型電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器，旨在同時(shí)發(fā)揮一維碳管、二維石墨烯在智能驅(qū)動(dòng)中的應(yīng)力應(yīng)變增強(qiáng)效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯在保留疏水大π鍵結(jié)構(gòu)同時(shí)，表面具有大量親水含氧極性基團(tuán)，具有表面活性劑的一般特性。利用該特性，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯高效分散碳納米管，并在接下來的化學(xué)還原過程中有效利用π-π作用，既避免了石墨烯的restacking，又形成穩(wěn)定的全碳納米結(jié)構(gòu)3D多孔網(wǎng)絡(luò)，微觀表征如圖一所示。

    研究證實(shí)，所制得雙晶片結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)出高度的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性，經(jīng)過高達(dá)百萬次的測試沒有明顯的衰退，而碳管則出現(xiàn)40%的衰退。研究人員認(rèn)為，在含有石墨烯的3D電極材料中，內(nèi)部結(jié)合是通過面接觸利用分子間作用力獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，純碳管電極則只是網(wǎng)絡(luò)狀點(diǎn)接觸來實(shí)現(xiàn)，面接觸的穩(wěn)定性顯然高于點(diǎn)接觸，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更緊密結(jié)構(gòu)，不容易在充放電過程中發(fā)生不可逆的破壞。
    3D碳納米結(jié)構(gòu)高度穩(wěn)定的電學(xué)、電化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)和豐富的表面功能化途徑，表現(xiàn)出在仿生智能材料器件等領(lǐng)域的明顯優(yōu)勢，使其在仿生機(jī)器人、微流控、微醫(yī)療器械、航天航空、微納光機(jī)電等方面具有廣闊應(yīng)用前景。該工作已在Adv. Mater.上在線發(fā)表 (原文鏈接)。

    此工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部以及江蘇省自然科學(xué)基金委的大力支持。

      
      
    
圖一、A為石墨烯分散碳納米管的透射電子顯微鏡照片；B為雜化材料的掃描電子顯微鏡照片