鉅大LARGE | 點擊量：1086次 | 2022年08月25日
浙大制造出新型石墨烯膜材料解決世界難題
通過巧妙設(shè)計，浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊研發(fā)出一種新型石墨烯組裝膜：它是目前導(dǎo)熱率最高的宏觀材料，同時具有超柔性，能被反復(fù)折疊6000次，承受彎曲十萬次。這一進(jìn)展解決了宏觀材料高導(dǎo)熱和高柔性不能兼顧的世界性難題，有望廣泛應(yīng)用于高效熱管理、新一代柔性電子器件及特種航天等領(lǐng)域。
浙江大學(xué)高分子系納米高分子課題組，由國家杰出青年基金獲得者高超教授領(lǐng)銜，目前課題組共有教授1名、助理1名、博士后3名、博士生11名、碩士生5名、企業(yè)聯(lián)合培養(yǎng)博士后1名。建有石墨烯、新能源材料、高分子化學(xué)3個實驗室及1個“浙江大學(xué)-碳谷上?！甭?lián)合研究中心。
團(tuán)隊長期致力于單層氧化石墨烯的規(guī)?；苽浼捌浜暧^組裝研究，發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯的液晶性，發(fā)明了石墨烯纖維、石墨烯無紡布、石墨烯連續(xù)組裝薄膜及最輕材料石墨烯氣凝膠四種純石墨烯宏觀材料(簡稱F4)，開發(fā)了低成本高質(zhì)量單層氧化石墨烯、多功能石墨烯復(fù)合纖維、石墨烯高效電熱布、石墨烯超級電容器、石墨烯-鋁離子電池、石墨烯納濾膜等六大核心技術(shù)，這些成果產(chǎn)業(yè)化前景廣闊，部分已實現(xiàn)生產(chǎn)和中試。
高超，1973年1月出生，土家族，浙江大學(xué)求是特聘教授、博士生導(dǎo)師、高分子科學(xué)研究所所長。
1995年在湖南大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位、1998年獲碩士學(xué)位，2001年獲上海交通大學(xué)博士學(xué)位。博士畢業(yè)后留上海交大任教，于2003年到2006年先后在英國Sussex大學(xué)和德國Bayreuth大學(xué)做訪問學(xué)者和博士后研究。2008年被引進(jìn)浙江大學(xué)，被評為教授、博士生導(dǎo)師。
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充電溫度：0~45℃
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-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圍繞石墨烯化學(xué)、液晶及宏觀組裝開展研究，在NatureCommunications(3篇),AdvancedMaterials,AccountsofChemicalResearch,ChemicalReviews,ChemicalSocietyReviews,ProgressinPolymerScience,MaterialsToday等世界旗艦級科學(xué)期刊發(fā)表通訊作者和第一作者論文110余篇，文章共被他引5700多次，H因子39。
共同主編Wiley出版的英文專著1本《HyperbranchedPolymers:Synthesis,Properties,andApplications》，為英文專著撰寫6章，獲中國發(fā)明專利授權(quán)23項。
擔(dān)任國際期刊ColloidandPolymerScience地區(qū)主編。
曾入選或獲得科技部“中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃”（2014）、國家杰出青年基金（2013）、浙江省“錢江人才計劃”（2010）、上海市“浦江人才計劃”（2007）、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃”（2005）、第九屆“霍英東基金”（2004）、上海市“青年科技啟明星”（2003）等人才計劃，獲得浙江省青年科技獎（2013)、1項國家自然科學(xué)二等獎（排名第3）、1項上海市科學(xué)技術(shù)一等獎（排名第3）及全國優(yōu)秀博士學(xué)位論文等獎勵。
主要成果：(1)發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯液晶及二維膠粒的手性液晶相，提出并實現(xiàn)了連續(xù)石墨烯纖維；
(2)實現(xiàn)了高性能石墨烯纖維超級電容器和石墨烯基納濾膜；
(3)采用非模板協(xié)同組裝策略制備了超輕彈性氣凝膠；
(4)發(fā)明了綠色、超快、安全的鐵基法，可大量制備單層氧化石墨烯，突破了自1958年以來的高污染、易爆炸、長時間的傳統(tǒng)制備方法。
現(xiàn)在，成果里面又要加上這一心形的石墨烯組裝膜。這一研究成果被Nature,NatureNews,ScientificAmerican等亮點評論，認(rèn)為“實現(xiàn)了石墨烯在現(xiàn)實器件應(yīng)用的關(guān)鍵一步”、“開辟了碳纖維制備的新途徑”，被美、法、澳、中國等多個課題組跟進(jìn)研究。
2017年4月，材料科學(xué)的世界旗艦級期刊《AdvancedMaterials》編輯部邀請浙江大學(xué)高新材料相關(guān)各研究組撰稿，以校慶專輯形式展示浙江大學(xué)在材料化學(xué)領(lǐng)域的研究成果，獻(xiàn)禮浙江大學(xué)120周年校慶。
石墨烯纖維結(jié)入選Nature2011年度圖片，為2005年以來唯一入選的中國科技成果。超輕氣凝膠被Nature兩次高度評論。
獲最輕固態(tài)材料吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)證，授予世界創(chuàng)新論壇“金袋鼠”創(chuàng)新獎，入選兩院院士評選2013年中國十大科技進(jìn)展新聞。
用最新高導(dǎo)熱超柔性石墨烯膜折疊的千紙鶴
此次最新高導(dǎo)熱超柔性石墨烯膜研發(fā)成果的相關(guān)論文UltrahighThermalConductiveyetSuperflexibleGrapheneFilms近日發(fā)表于《先進(jìn)材料》AdvancedMaterials雜志，論文第一作者為博士生彭蠡
近日，浙大新聞辦，錢江晚報等媒體記者采訪了浙江大學(xué)高分子系高超教授團(tuán)隊。面對記者，高超教授介紹，電子電器工作時會發(fā)熱，需要高效熱管理來保證其正常運行。新一代器件還要求可彎折性。因此，研究高導(dǎo)熱高柔性材料至關(guān)重要。但現(xiàn)有宏觀材料的高導(dǎo)熱和高柔性是一對魚和熊掌難以兼得的矛盾。
石墨烯的出現(xiàn)為解決這一矛盾提供了理論上的可能。它是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面單層二維大分子。原子質(zhì)量輕、簡單而又強(qiáng)力的鍵接結(jié)構(gòu)賦予了它超高的導(dǎo)熱性；同時，單原子層厚度又使得其具有較好的柔性。遺憾的是，目前已有的剝離型石墨烯片小、缺陷多，其組裝而成的宏觀材料導(dǎo)熱率和柔性都欠佳，還比不上商業(yè)化的聚酰亞胺石墨化膜(GPI)。比如，我們手機(jī)里的散熱膜，就是用GPI制成的。
發(fā)現(xiàn)石墨烯的諾獎得主安德烈·海姆，浙大名譽教授，石墨烯的發(fā)現(xiàn)就值一個諾貝爾獎，新型石墨烯組裝膜未來上到特種航天，下到智能手機(jī)都可應(yīng)用，其價值就更是大的不可估量了
在高超教授的辦公室，記者見到了一片20厘米邊長的石墨烯組裝膜，看上去很像一片大大的即食海苔。高超介紹，這10微米厚的“海苔”，是由數(shù)千層單片石墨烯交疊而成的。實驗測試表明，石墨烯膜可以耐受10萬余次的彎曲，而不影響其導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，而且，在反復(fù)折疊6000次后仍沒有斷裂。此前性能最好的GPI最多只能反復(fù)折疊3次。同時這種石墨烯膜的導(dǎo)熱率最高達(dá)到2053W/mK（瓦/米·度），接近理想單層石墨烯導(dǎo)熱率的40%，創(chuàng)造了宏觀材料導(dǎo)熱率的新紀(jì)錄。
柔軟而高導(dǎo)熱的性能，賦予我們無限的想象空間，比如，可折疊的手機(jī)、筆記本電腦，甚至衛(wèi)星和航天器。課題組將這種石墨烯膜替代商用GPI膜，應(yīng)用于手機(jī)散熱膜上，發(fā)現(xiàn)手機(jī)CPU處的溫度可以控制在33℃以下，相對商用GPI膜降低了6℃。如果把這層膜用到人造衛(wèi)星上，就能很好地解決衛(wèi)星的“向光背光”溫差大的問題。
彭蠡說，電子元器件的散熱是器件開發(fā)一項很重要的課題。它們“怕熱”，是因為這些功率器件都有穩(wěn)定工作的溫度區(qū)間。隨著溫度的升高，器件工作的穩(wěn)定性會下降，噪音升高，并且壽命降低。一般來說，溫度提高8—10度，器件壽命會下降一半。據(jù)統(tǒng)計，電子產(chǎn)品失效的原因中，溫度占比達(dá)到50%以上。
科學(xué)家是如何讓石墨烯膜由“脆”變“柔”，并兼顧了良好的導(dǎo)熱性能呢？高超說，團(tuán)隊提出了一種“大片微褶皺”的設(shè)計思路，在制備石墨烯膜的過程中引入了許多微小的褶皺，讓石墨烯膜成為一種“能屈能伸”的材料。就像女孩們的百褶裙，裙擺可以展開很大。如此細(xì)小的褶皺怎么制造？高超團(tuán)隊想出了一種新穎的方法：將石墨烯膜高溫加熱，膜中的含氧官能團(tuán)在高溫下分解釋放出氣體，使石墨烯膜內(nèi)部形成微氣囊；再經(jīng)過機(jī)械輥壓成膜，微氣囊的氣體被排出，形成微褶皺?！熬瓦@么簡單”，高超說。
AdvancedScienceNews評論認(rèn)為，這項成果使得很多大面積多功能的二維材料能夠應(yīng)用到現(xiàn)實世界的柔性器件中，從特種航天到智能手機(jī)，不一而足。
AdvancedScienceNews認(rèn)為，這樣的設(shè)計理念和實驗策略能夠拓展至其他二維納米材料中。
