石墨烯膜解「魚和熊掌」不可兼得之困

「具有超柔性，能被反覆摺疊6000次，還能承受彎曲10萬餘次。」通過巧妙設計，浙江大學高分子系高超教授團隊研發出一種新型石墨烯組裝膜，成為目前導熱率最高的宏觀材料。

「電子電器工作時會發熱，得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，研究高導熱高柔性材料至關重要。」高超有些憂心忡忡，「但現有宏觀材料的高導熱和高柔性就像魚和熊掌，難以兼得。」

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面單層二維大分子。原子質量輕、簡單而又強力的鍵接結構賦予了它超高的導熱性；同時，單原子層厚度又使得其具有較好的柔性。它的出現，為解決上述矛盾提供了理論上的可能。

然而遺憾的是，目前已有的剝離型石墨烯片小、缺陷多，由其組裝而成的宏觀材料導熱率和柔性都欠佳，還比不上商業化的聚醯亞胺石墨化膜(GPI)。

這該如何是好？

在高超的辦公室里，一片邊長20厘米、看上去很像一片大大的即食海苔的石墨烯組裝膜分外惹人注目。

「這10微米厚的『海苔』，是由數千層單片石墨烯交疊而成的。」高超介紹，該石墨烯膜可以耐受10萬餘次的彎曲，而不影響其導熱導電性能。且在反覆摺疊6000次後仍不會斷裂。同時這種石墨烯膜的導熱率最高達到2053W/mK，接近理想單層石墨烯導熱率的40%，創造了宏觀材料導熱率的新紀錄。

石墨烯膜是如何由「脆」變「柔」，併兼顧良好的導熱性能的？

「我們提出了一種『大片微褶皺』的設計思路，在製備石墨烯膜的過程中引入許多微小褶皺，讓石墨烯膜成為一種『能屈能伸』的材料。」高超介紹，將石墨烯膜高溫加熱，膜中的含氧官能團在高溫下分解釋放出氣體，使石墨烯膜內部形成微氣囊；再經過機械輥壓成膜，微氣囊的氣體被排出，形成微褶皺。

隨後，課題組將這一石墨烯膜替代商用GPI膜應用於手機散熱膜上發現，手機CPU處的溫度可控制在33℃以下，相對商用GPI膜降低了6℃。

「該項成果使得很多大面積多功能的二維材料能應用到現實世界的柔性器件中，從航空航天到智能手機，不一而足。」當該成果發表於材料科學領域的國際領先學術雜誌之一《先進材料》上，即受到高度評價。

《中國教育報》2017年06月12日第7版

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