偏析网络纳米复合材料的组装和性能。A，B复合胶乳GO分散体和后续模板化薄膜结构示意图。C，D在乳胶膜加热之前和之后的原子力显微照片高于聚合物的玻璃化转变温度，导致颗粒聚结。E 在乳胶-GO复合材料还原后实现了导电性。所示是在相同条件下处理的块状rGO薄膜的电导率。（插图）每个处理步骤的样品照片。F 还原后复合材料的断裂表面的扫描电子显微照片。G 还原前后原始胶乳膜和2 wt%乳胶-GO复合材料的代表性应力-应变曲线，在聚合物中添加GO时表现出增韧，但还原后力学无明显变化。H 文献中25种复合材料的最大报告电导率（和相应的填料含量）的比较，按填料材料分类。参考文献表见补充信息。I报道的rGO和原始石墨烯聚合物复合材料相对于报道的渗透阈值的最大电导率。学分：萨塞克斯大学（2022 年）。DOI： 10.25377/sussex.21388851
在发表在《自然通讯》上的一项新研究中，萨塞克斯大学的科学家们展示了他们开发的高导电涂料如何通过称为“爆炸渗流”的过程模仿病毒的网络传播 – 这是一个数学过程，也可以应用于人口增长、金融系统和计算机网络，但以前从未在材料系统中见过。这一发现是一个偶然的发展，也是研究人员的科学第一次。
渗流过程是液体技术发展的重要组成部分，它是一个系统中的统计连通性，例如当水流过土壤或咖啡渣时。苏塞克斯大学材料物理小组的研究人员期望看到这个过程，当他们将氧化石墨烯添加到聚合物乳胶球中时，例如用于乳胶漆的那些，以制造聚合物复合材料。
但是，当他们轻轻加热氧化石墨烯使其导电时，科学家们启动了一个过程，看到这种导电系统呈指数级增长，以至于产生的新材料消耗了网络，类似于一种新的病毒株可以变得占主导地位。
这种新兴的材料行为导致了一种新的高导电涂料解决方案，由于氧化石墨烯是一种廉价且易于大规模生产的纳米材料，因此是报道的最实惠和最具导电性的低负载复合材料之一。以前，现在，人们接受这种油漆或涂料必然是一种或另一种。
导电涂料和油墨在新印刷技术中具有一系列有用的应用，例如赋予涂料防静电等特性或制造阻挡电磁干扰（EMI）的涂料，以及在可穿戴健康监测器的开发中至关重要。
萨塞克斯大学材料物理小组负责人、实验物理学教授艾伦·道尔顿（Alan Dalton）解释了这一偶然发现的潜力：“我和我的研究团队在过去十年中一直致力于开发导电涂料和油墨，令我惊讶和高兴的是，我们发现彻底改变这项工作的关键是我们通常与人口增长和病毒传播。
“由于氧化石墨烯的廉价和可扩展特性，使我们能够制造出价格合理的高导电聚合物复合材料，这一发展为我们甚至尚未能够充分考虑的一系列应用打开了大门，但可以大大提高电动汽车材料的可持续性 – 包括电池 – 以及有可能在材料中添加导电涂层， 比如陶瓷，本质上不是这样。我们迫不及待地想继续探索各种可能性。
苏塞克斯大学道尔顿教授材料物理小组的研究员Sean Ogilvie博士参与了这一发展，他补充说：“这些纳米复合材料最令人兴奋的方面是，我们正在使用一种非常简单的过程，类似于涂上乳胶漆并用热风枪干燥，然后启动在石墨烯片之间建立化学桥梁的过程， 产生的电路径比完全由石墨烯制成的电路径更具导电性。
“这个渗流网络的增长类似于高传播病毒变体的出现，可以让我们使用流行病建模来开发令人兴奋的新材料，甚至是了解流行病传播的材料。
关于实验
科学家们采用了聚合物乳胶球并添加了氧化石墨烯。通过干燥该溶液，就像干燥油漆一样，氧化石墨烯被困在球体之间，随着添加更多的石墨烯，片材最终在乳胶膜内形成“渗透”网络。
然而，由于氧化石墨烯不导电，科学家们进行了一些温和的加热以消除化学缺陷（150°C，类似于用于干燥油漆的热风枪的温度）。当他们这样做时，他们发现薄膜不仅像预期的那样变得导电，而且比完全由石墨烯制成的薄膜更具导电性。
原因是片材被困在乳胶球之间（而不是随机排列），温和的加热启动了石墨烯的化学改性，石墨烯反过来化学修饰聚合物以产生小分子，这些小分子交联（形成化学桥之间）片材，从而显着提高其导电性。
这种现象，仅在渗透点，材料经历“相变”，形成与未连接完全不同的网络，称为“爆炸性渗透”。可以认为达到了临界连接水平，新材料通过网络爆炸性增长。
全文发表在Nature Communications上。
更多信息：
Manuela Meloni et al, Explosive percolation yields highly-conductive polymer nanocomposites, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-34631-9
https://www.nature.com/articles/s41467-022-34631-9
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