具有多种功能的石墨烯元气凝胶在未来的国内和军事应用中显示出巨大的前景。在Nature Communications上发表的一项研究中，展示了一种用于生产具有独特特性的石墨烯元气凝胶的激光雕刻方法。

什么是石墨烯元气凝胶？

源自海绵和泡沫等同素异形体整体材料的三维石墨烯超气凝胶已成为极具吸引力的碳基超材料。它们具有卓越的可压缩性、超轻量以及出色的导电性和隔热性等卓越品质。

石墨烯元气凝胶的主要挑战

在石墨烯元气凝胶中实现新特性存在很大困难。例如，从可调宏观到排列良好的微观结构缺乏多尺度形态控制限制了石墨烯元气凝胶在可穿戴电子设备、软机器人和刺激敏感系统等应用中的使用。

石墨烯元气凝胶的合成方法

冷冻干燥是定义石墨烯元气凝胶宏观结构的常用工艺。这种方法可以帮助获得具有模具自然外观的石墨烯元气凝胶，这可以在一定程度上组织石墨烯层的配置，从而形成多孔、细胞和双曲线框架。

然而，使用这种方法，获得具有卓越性能的精确和特殊形式是具有挑战性的。

3D 打印是另一种有趣的挤出方法，用于生产具有可配置架构的晶格和周期性石墨烯元气凝胶。尽管如此，使用高含量的氧化石墨烯 (GO) 分布来实现足够的粘度对缩小印刷结构的尺寸构成了限制。

在石墨烯气凝胶中实现高刚度和弹性

石墨烯元气凝胶的宏观力学特性很大程度上受其内部微观结构的影响。根据开孔模型，石墨烯元气凝胶变形在压缩阶段按照线性弹性、塌陷和致密化的顺序涉及三个操作。

当石墨烯的壁达到其峰值弯矩并最终坍塌时，就会形成微型铰链。

石墨烯壁 (GW) 的弯曲刚度直接影响石墨烯元气凝胶的弹性模量。因此，已经尝试使用水热处理、分子交联和聚合物增强来增加 GW 的弯曲刚度，以在石墨烯间质气凝胶中实现更高的刚度和弹性模量。

不幸的是，薄膜状结构的比弯曲刚度基本上低于纤维状或管状材料的比弯曲刚度。

石墨烯元气凝胶（GmAs）的制备和结构。

在太阳能应用中使用基于石墨烯的太阳能电池

该团队在本研究中展示了一种激光雕刻方法，用于生产具有多功能宏观尺度结构和高度组织化的微观尺度框架的石墨烯元气凝胶。

石墨烯元气凝胶可以快速形成各种形状，如线性、平面和三维晶格结构和孔块。

石墨烯元气凝胶具有由交织的亚微米纤维和石墨烯薄膜组成的微观结构。一维纳米纤维增强的二维薄膜结构显着增加了 GW 的弯曲刚度。

这种简便的制造方法能够将各种功能元件插入结构中，从而允许制造具有预定几何形状和功能的物品。

该团队开发了磁性响应气凝胶和陶瓷气凝胶作为原型，展示了多功能使用的坚实潜力。

研究的重要发现

在这项研究中，该团队提出了一种用于制造具有不同特性和多种功能的石墨烯元气凝胶的激光雕刻方法。他们通过使用一维纳米纤维增强的二维薄膜结构来实现这一目标。

这项研究揭示了一种简便的方法，可将石墨烯元气凝胶结构从可优化的宏观尺度精确调节到排列良好的微观尺度结构。

具有吸引人特性的 GmAs 的激光工程元结构。

内部一维纳米纤维增强的二维框架保证了稳定的体积变形机制，从而显着提高了柔韧性、耐用性和刚度。

激光雕刻方法产生了具有特殊性能的石墨烯元气凝胶的任意结构，包括高弹性、相当低的比重和宽泊松比范围。

在压缩阶段，石墨烯元气凝胶的内部变形机制是稳定的体积变形，而不是在软石墨烯气凝胶中观察到的微尺度屈曲。因此，石墨烯元气凝胶的性能优于大多数碳气凝胶，因为它们具有出色的耐用性、刚度和强度，以及在任意压缩后完全恢复形状。

所提出的技术可以将聚合物和颗粒引入框架中，生产具有预定形式和功能的物品。

随着具有卓越性能的石墨烯元气凝胶的发展，这项研究为未来开发具有可定制元结构的多用途气凝胶铺平了道路。