材料科学之一:“翩翩起舞”的石墨烯

作者: cnpim CNPIM 2021年10月14日

  作为一种二维纳米碳材料,石墨烯具有独特的物理化学性质,如:优异的导电、导热、机械性能和高比表面积等。因此,石墨烯及其复合材料广泛应用在手机、电脑、耳机、音响等数码产品之中,激发了广大研究人员的兴趣,也成为开发电驱动器的理想材料。同时,不断发展的石墨烯制备方法也推动着石墨烯电驱动器的快速发展。
 
  驱动器是一种在外部信号(如光、温度、pH、湿度、电场和磁场等)的刺激下实现可控形状变形的器件。在各种刺激响应型的驱动器中,电驱动器具有快速响应、精确控制、可控形状变化等特点,在电子皮肤、软体机器人、人造肌肉等领域拥有广阔的应用前景。
 
  目前,根据工作原理,基于石墨烯及其衍生物制备的电驱动器主要有三种类型:
 
  『静电型石墨烯驱动器』
 
  主要依靠两个相互接近的石墨烯电极表面所带电荷间的吸引力与排斥力导致器件发生形变。石墨烯优异的导电和机械性能使石墨烯成为理想的电极材料。通常,静电型驱动器产生的静电力与施加在石墨烯电极两端的电压、两个电极之间的距离以及几何形状有关,这种驱动形式可以达到纳米级的高精度位移。
 
  『电热型石墨烯驱动器』
 
  由不同热膨胀系数的双层/多层材料组成。电热层将电能转化为热能,然后多层材料间发生非均匀热膨胀,使器件产生弯曲变形。石墨烯材料具有较低的热膨胀系数和良好的导电、导热能力,可以起到降低器件功耗、改善响应时间等作用。石墨烯电热型驱动器制备工艺多种多样,特别是利用激光加工的方法可以简便地制备图案化、周期性结构化的石墨烯电极,用于驱动器发生复杂的三维变形。
 
  『离子型石墨烯电驱动器』
 
  包含两个电极和一个电解质层。当接收到外界电信号刺激时,电解质中的阳离子会迁移并插入阴极,而阴离子迁移并插入阳极。由于阳离子和阴离子的半径不同,两个电极层之间发生非均匀膨胀,导致整个离子型驱动器弯曲。因此,离子型驱动器的电极要求电极材料和电解质材料之间具有充分的接触。值得注意的是,相对于传统的贵金属电极,石墨烯电极耐腐蚀、强柔韧性及显著的膨胀性能。

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