氧化石墨烯（GO）是最广为人知的石墨烯衍生物之一，其具有单层二维拓扑结构和优异的溶液分散性，显示出独特的胶体分子科学和流体物理学性质。将二维GO组装成各类碳质宏观材料被认为是一种重要的纳米技术，可解决将微观上石墨烯自身优异的力学、电学和热学性能转化为高性能石墨烯宏观材料中所面临的诸多挑战。单片GO既表现出胶体行为，又具有各类分子构象，可视为一种新型二维胶体分子，其在溶剂中具有特殊的动态聚集和转变行为。为推进石墨烯基材料的实际应用，如何从纳米尺度、微米尺度到宏观尺度有效控制二维GO胶体分子的组装过程和多尺度结构是至关重要的。然而，关于精确描述和精准调控二维GO胶体分子的单分子行为和集群效应的分子科学、流体物理学及其对宏观组装过程的影响和指导尚未得到系统总结。
图1. 关于石墨烯和氧化石墨烯的可控组装和宏观材料的科学、技术和工程。基于对以上关键科学问题的深入思考，浙江大学高超团队应邀在国际应用物理领域顶级期刊《Applied Physical Review》上发表了题为“A review on graphene oxide: 2D colloidal molecule, fluid physics and macroscopic materials”的综述。系统总结了二维GO胶体分子在科学探究、技术开发和工业转化方面的系列进展（图1），重点介绍了GO胶体分子独特的流体物理学性质。阐述了高性能石墨烯基宏观材料（如一维石墨烯纤维，二维石墨烯薄膜和三维石墨烯泡沫）的塑化加工原理和相关研究进展，全面归纳了提高宏观石墨烯组装体力学、热学和电学性能的指导思想和优化策略（图2）。最后，基于团队近十余年来在石墨烯宏观组装体领域的深耕，提出了未来关于二维GO胶体分子和石墨烯宏观组装体的研究展望和工业化蓝图。 图2. 基于氧化石墨烯的各类衍生物和典型的石墨烯宏观组装体。二维GO分子不仅仅是一个普通的纳米颗粒，更是一种“活”的胶体分子。GO胶体分子不仅在单分子状态下具有尺寸相关标度关系、丰富的构象类型和构象转变行为，更在多分子溶液态、半固态下具有溶致液晶、慢松弛效应、超液晶相、可逆融合效应等独特分子聚集态行为。通过更加深入认识二维GO胶体分子的流体物理特性和液相组装过程中的作用机制，开发出更多新颖的石墨烯材料微纳结构调控方法，这对设计高性能石墨烯宏观组装体具有重要意义（图3）。图3. 关于氧化石墨烯的二维胶体分子行为、流体物理学规律、液相组装规律和结构-性能关系。最后，综述以石墨烯纤维发展历程为例，提出了石墨烯产业化的基本路线图。可预见的是，石墨烯基材料的成功商业化需要经过阶段一：I to P (Idea to Paper，指拥有首个想法并发表首篇论文)、阶段二：P to P (Paper to Paper，指由首篇论文启发的后续系列研究)、阶段三：P to I (Paper to Industry，指以大量基础研究为基础转化为实际产品，服务社会)三个阶段的艰苦努力(图4)。随着科学研究深入和商业市场反馈，有望看到石墨烯产业从P到I阶段的过渡，包括从科学、技术到工程的三个阶段。一系列最先进的应用，如高性能新型碳质纤维、先进航空航天热管理材料、轻质柔性能源装备和医疗传感器件等，经历了积极的探索和转化，已取得了一些重大的进展。预计在不久的将来，石墨烯材料将以新一代精密电子产品、高性能复合材料和可穿戴纺织品等形式积极融入到人们日常生活中，为全人类的福祉掀起新一轮工业革命。 图4. 以石墨烯纤维的发展历程为范式，提出了石墨烯材料产业化的三步路线图.论文被选为《Applied Physics Reviews》当期Featured Article 在期刊主页作为亮点研究展出。浙江大学博士后王方、方文章和博士生明鑫为共同一作，浙江大学高超教授、“百人计划”许震特聘研究员和刘英军特聘研究员为共同通讯作者。论文得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、浙江大学百人计划、中央高校专项基金、山西浙大新材料研究院等相关经费资助和机构支持。
来源：文章来自高超课题组
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