高超課題組在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行討論。

■本報(bào)記者 崔雪芹

對(duì)于普通材料來(lái)說(shuō)，兩個(gè)物體一旦融合就難以復(fù)原，即便分開(kāi)也不再是原來(lái)的兩個(gè)物體。然而，經(jīng)過(guò)4年的研究，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系教授高超課題組發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯片具有適應(yīng)性形變的能力，氧化石墨烯纖維在宏觀尺度上能夠在融合之后實(shí)現(xiàn)精確可逆的分裂，好比是自帶了“返回鍵”。這項(xiàng)成果將對(duì)未來(lái)精確可逆的組裝產(chǎn)生積極影響。這項(xiàng)成果近日發(fā)表于《科學(xué)》。

高超告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，相比已有的研究，課題組此次完成的氧化石墨烯基纖維精確可逆的融合—分裂過(guò)程是可控的，而且材料尺寸大，對(duì)于固體在可逆組裝過(guò)程中界面的獨(dú)特現(xiàn)象、材料的有效回收和重復(fù)利用等方面具有啟發(fā)意義。

精確可逆，就像七十二變般自如

現(xiàn)實(shí)生活中，每一個(gè)固體單元都有自己的特定形狀和尺寸，多個(gè)固體融合在一起組裝成一個(gè)整體不難，但是結(jié)合越緊密往往分離就越難，因此無(wú)法通過(guò)分離再另外組裝成別的形式的整體。

早前，科學(xué)家從細(xì)胞的融合與分裂中獲得靈感，仿生設(shè)計(jì)了功能性的組裝體，比如聚合物囊泡在光或熱的刺激下，能夠?qū)崿F(xiàn)融合或?qū)崿F(xiàn)融合與分裂，希望可以應(yīng)用在藥物的遞送與釋放等領(lǐng)域，但是在融合與分裂的“可逆”這一環(huán)節(jié)遇到了阻礙。

而高超課題組卻發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯纖維挑戰(zhàn)了人們的一般認(rèn)知，能夠在厘米級(jí)的宏觀尺度下，變形組裝并且解組裝復(fù)原。他們將13500根氧化石墨烯纖維做成的一根剛性柱子，變成一張節(jié)點(diǎn)融合的柔性網(wǎng)，把實(shí)驗(yàn)過(guò)程顛倒過(guò)來(lái)后，網(wǎng)又重新變回了柱子。

這個(gè)過(guò)程當(dāng)中，組成柱子和網(wǎng)的氧化石墨烯纖維并沒(méi)有發(fā)生變化。“通過(guò)特定的處理方式，氧化石墨烯纖維融合得到的固體材料可以像孫悟空那樣，七十二變后再變回原本的樣子。也就是說(shuō)，我們這項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯宏觀固體材料精確可逆的組裝。”高超說(shuō)。

可逆奧秘，適應(yīng)性形變好比“返回鍵”

為什么氧化石墨烯能做到精確可逆？這與材料本身的特性有關(guān)。高超課題組一直致力于石墨烯宏觀組裝的研究。早在2016年，課題組就發(fā)現(xiàn)，二維的氧化石墨烯片具有適應(yīng)性形變的特點(diǎn)，可以完成融合。之前他們就利用氧化石墨烯纖維的溶脹融合成了無(wú)紡布。

那么，氧化石墨烯纖維融合后還能再分裂嗎？課題組繼續(xù)研究發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯自身帶有特殊的性質(zhì)，即二維拓?fù)�、豐富的含氧官能團(tuán)、超柔性、自黏接，多根氧化石墨烯纖維融合后的粗纖維密度大、孔隙率少、界面結(jié)合適中。“這就使得材料的親和力剛剛好，很容易融合到一起，但結(jié)合力又不像鋼那樣強(qiáng)，所以還能分得開(kāi)。”高超說(shuō)。

實(shí)驗(yàn)中，課題組先把13500根氧化石墨烯纖維融合成一根直徑1.2毫米的細(xì)長(zhǎng)黑柱子，這些黑柱子可以承受680倍自身重量的力，然后把黑柱子放到水溶劑中解離再分裂，這時(shí)粗柱子就變成13500條纖維。論文第一作者、浙江大學(xué)高分子系的暢丹說(shuō)：“這個(gè)過(guò)程中，氧化石墨烯的體積膨脹率達(dá)到了近40倍，提供了充分的表面形變的空間。”

在溶劑中纖維變軟了，就可以拿出來(lái)編織成節(jié)點(diǎn)融合的網(wǎng)，而且這張網(wǎng)仍然保持了一定強(qiáng)度，上面放輛玩具車(chē)完全沒(méi)有問(wèn)題。也就是說(shuō)，這些纖維再融合之后依然能作為功能材料來(lái)使用。

在復(fù)原環(huán)節(jié)，課題組把這張網(wǎng)再放回水溶劑，網(wǎng)重新分解成13500條纖維，撈出來(lái)之后它們會(huì)自動(dòng)融合在一起，最終又變回了之前的柱子形狀。

那怎么證明這13500條纖維還是原先的那13500條纖維呢？課題組通過(guò)熒光染料及硅納米顆粒彩色標(biāo)記的方式，證明了每一條纖維的內(nèi)在結(jié)構(gòu)確實(shí)“我是我”“他是他”，纖維里面的成分沒(méi)有在多次融合—分裂后互相“串門(mén)”。

穿上“馬甲”，其他材料也能變

神奇的還不止這些。氧化石墨烯纖維的這種特殊屬性還能應(yīng)用到別的材料上。

課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，如果在尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維等有機(jī)高分子、天然高分子、金屬、無(wú)機(jī)非金屬纖維的表面涂上一層氧化石墨烯，原有的這些普通材料也能夠具有“組裝—精確還原”的功能。

論文評(píng)審專(zhuān)家認(rèn)為：“該工作代表著可回收及智能纖維材料領(lǐng)域的一個(gè)突破。結(jié)果具有科學(xué)價(jià)值，可能引發(fā)多個(gè)研究領(lǐng)域的興趣。”

就此工作，日本長(zhǎng)野大學(xué)的Rodolfo Cruz-Silva和美國(guó)賓漢頓大學(xué)的Ana Laura Elías在同期《科學(xué)》發(fā)文進(jìn)行了評(píng)論。