浙大高超团队-《Appl. Phys. Rev.》综述：氧化石墨烯作为独特二维胶体分子的流体物理学和宏观组装材料系列研究进展

研究背景

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。

文章简介

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（Appl. Phys. Rev. 10, 011311 (2023); doi: 10.1063/5.0128899）。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。

研究内容

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。

致  谢

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。