碳管、石墨烯是有著特殊結構與性質(zhì)的一維、二維納米材料，具有優(yōu)異的各向異性電、力、熱學特性。因而，獲得宏觀碳管/石墨烯多維有序結構將會更大限度地發(fā)揮碳納米結構材料的優(yōu)異性能，是高性能復合材料與器件研究的重要物質(zhì)基礎。
中科院蘇州納米技術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構調(diào)控研究的基礎上（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，重點研究了天然生物高分子/碳管/離子液體“三明治”復合結構的新型驅(qū)動器，同時實現(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)動特性（Adv. Mater., 2010, 22, 3745)；重點研究并獲得了在離子液體分散和預膨脹下平行取向石墨烯片層結構的電化學驅(qū)動，實現(xiàn)高達98%的應變驅(qū)動（Chem. Commun., 2012, 48, 3978)。
在此基礎上，近期該課題組進一步發(fā)展了基于碳管/石墨烯三維全碳電極的離子型電化學驅(qū)動器，旨在同時發(fā)揮一維碳管、二維石墨烯在智能驅(qū)動中的應力應變增強效應。研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯在保留疏水大π鍵結構同時，表面具有大量親水含氧極性基團，具有表面活性劑的一般特性。利用該特性，研究人員成功實現(xiàn)了氧化石墨烯高效分散碳納米管，并在接下來的化學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)定的全碳納米結構3D多孔網(wǎng)絡，微觀表征如圖一所示。
研究證實，所制得雙晶片結構驅(qū)動器表現(xiàn)出高度的驅(qū)動穩(wěn)定性，經(jīng)過高達百萬次的測試沒有明顯的衰退，而碳管則出現(xiàn)40%的衰退。研究人員認為，在含有石墨烯的3D電極材料中，內(nèi)部結合是通過面接觸利用分子間作用力獲得穩(wěn)定結構，純碳管電極則只是網(wǎng)絡狀點接觸來實現(xiàn)，面接觸的穩(wěn)定性顯然高于點接觸，網(wǎng)絡結構具有更緊密結構，不容易在充放電過程中發(fā)生不可逆的破壞，如圖二所示。
3D碳納米結構高度穩(wěn)定的電學、電化學、力學性質(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域的明顯優(yōu)勢，使其在仿生機器人、微流控、微醫(yī)療器械、航天航空、微納光機電等方面具有廣闊應用前景。該工作已在Adv. Mater.上在線發(fā)表。
此工作得到了國家自然科學基金委、科技部以及江蘇省自然科學基金委的大力支持。
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
圖二、A為驅(qū)動器電化學驅(qū)動循環(huán)測試穩(wěn)定性；B為電極材料內(nèi)部結構示意圖
