上海交大《ACS Nano》：章鱼状皱褶石墨烯颗粒，用于粘合剂涂层

成果简介

章鱼作为仿生学领域最著名的名人之一，为伪装材料、软体机器人和柔性抓取器提供了各种灵感。此类结构的微型化将有助于微型机器人、微量给药和表面涂层的开发。然而，由于缺乏相关的有效制备方法，生成这种尺寸在1μm 或以下的章鱼状结构具有挑战性。

本文，上海交通大学付本威 副研究员、涛 教授团队在《ACS Nano》期刊发表名为“Octopus-like Microstructure of Graphene Oxide Generated through Laser–Microdroplet Interaction for Adhesive Coating”的论文，研究开发了一种激光诱导的局部皱褶方法，用于生成基于氧化石墨烯（GO）片的尺寸为1μm的章鱼状结构。所开发的方法利用激光与微液滴的相互作用，在有限的空间（小于1μm）内提供高达约107Pa 的驱动力，使微液滴中的前体发生局部皱缩。局部皱缩的颗粒具有皱缩和未皱缩两种结构，类似章鱼的头部和柔软的身体。在粘附性测试中，章鱼状颗粒在空气中、水中和柔性基底上都表现出很高的粘附性。

在电化学测试中，柔性电极上的章鱼状微粒在数百次弯曲循环中均表现出良好的电化学和粘合性能。得益于皱缩和非皱缩形态的结合，所制备的章鱼状微结构颗粒被证明具有综合性能，在微游泳器、表面涂层和电化学领域具有广泛的应用潜力。此外，这项工作中开发的方法还具有在有限空间内集中能量的优点，在微米和纳米加工领域具有广阔的应用前景。

图文导读

图1. 微滴中激光诱导光学击穿产生的章鱼状皱缩氧化石墨烯（OCGO）

图2.激光-微滴相互作用的机理

图3.普通ECGO颗粒和OCGO颗粒的微观形态和性质

图4.ECGO和OCGO颗粒在云母基底上通过AFM探针在不同纳米力学拖曳力下的相对运动和变形。

图5.ECGO和OCGO颗粒在硅衬底上液滴蒸发过程中液滴的动态行为。

图6.涂有不同皱褶颗粒的柔性电极的性能。

小结

通过基于激光诱导微滴光学击穿的方法，生成了直径约1μm、厚度∼0.1 μm的章鱼状GO片颗粒。通过理论建模、数值模拟和实验观察，探索了激光与微液滴相互作用的过程以及章鱼状形貌的形成机理。利用高速照相机成功观测了激光与微液滴快速相互作用诱发的形态和等离子体羽流。形态学研究显示，OCGO 出现了密集的皱缩，并局部还原成类似石墨的微观结构。GO的局部还原和皱缩还表明，激光诱导的光学击穿发生在微液滴的局部位置，从而引发局部电离和高压等离子体。等离子体与周围物质之间的高压差成为了溃缩过程的支配力。所开发的基于激光与微液滴相互作用的方法提供了另一种在有限空间（<0.1 μm）内产生高驱动压力（¹⁰⁷Pa）的方法，并可扩展到其他材料，如 MXenes、(51) 金属氧化物 (55) 和复合材料 (56,57)，在微米和纳米加工中显示出巨大的潜力。

这种具有微尺度章鱼状结构的 OCGO 粒子在空气、液体和柔性基底上都具有很强的粘附性。它能抵抗强大的外部拖曳力，并在纳米机械力作用下显示出更强的粘附特性。OCGO 在液体中的动态行为表明，OCGO 移动稳定，更有可能着陆并附着在基底上。与 ECGO 相比，OCGO 表现出更好的粘附性能和更强的抗三相线后退能力。涂覆在柔性电极上的 OCGO 粒子的电化学性能表明，OCGO 粒子的高比表面积得益于其具有良好电化学性能的皱缩结构，而片状形态则得益于其具有保形接触和高柔韧性的片状形态，可牢固地附着在柔性基底上而不会脱落。这种具有综合性能的章鱼状皱褶颗粒可用于需要章鱼式结构和粘附性能的应用领域，如微型抓取器、微型游泳器、表面涂层和电化学。

文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c08635