導(dǎo)語：
2018年5月7日，《美國科學(xué)院院刊》在線刊登了我?；瘜W(xué)學(xué)院程群峰教授、江雷院士團隊及其合作者的最新研究成果“有序交聯(lián)的超強韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜（Sequentiallybridgedgraphene sheets with high strength, toughness, and electricalconductivity）”，程群峰教授和生物醫(yī)學(xué)工程高精尖中心首席科學(xué)家美國工程院院士RayH. Baughman教授為共同通訊作者，北航2014級直博生萬思杰為第一作者。
背景：材料應(yīng)用新紀元
2004年，英國曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制成了世界上最薄、強度最高的材料石墨烯。6年后，兩位科學(xué)家因在石墨烯研究方面的卓越成就而被授予諾貝爾物理學(xué)獎，進一步將石墨烯推向了科學(xué)界研究的熱點領(lǐng)域。
自2010年起，程群峰教授及課題組便將研究目光匯聚于此，立足院校特色，引領(lǐng)學(xué)術(shù)前沿，產(chǎn)生了將這種輕質(zhì)高強的新材料應(yīng)用于航天領(lǐng)域的構(gòu)想。他們認為，新型石墨烯材料研究前景廣闊，能夠滿足下一代無人機、小型機對材料性能的需求，是具有長足戰(zhàn)略眼光的研究選擇。
此后，程群峰教授課題組長期致力于仿生多功能石墨烯納米復(fù)合材料的研究，取得了一系列原創(chuàng)性研究成果。傳統(tǒng)碳纖維復(fù)合材料的制備需要高溫高壓，但新材料可在45℃以下的室溫進行組裝構(gòu)筑，其強度與碳纖維復(fù)合材料相當(dāng)，成本更加低廉，易實現(xiàn)商業(yè)規(guī)?；苽?。
仿生：天然貝類的啟發(fā)
大自然是最為精妙而富有想象力的工程師，它構(gòu)筑的生命體結(jié)構(gòu)可以為人們創(chuàng)造新型材料提供諸多靈感。在眾多可用于仿生的結(jié)構(gòu)中，鮑魚殼因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能引起了程教授課題組的注意。自然界的鮑魚殼五顏六色，是由于其層狀有序的結(jié)構(gòu)——無機碳酸鈣和有機蛋白質(zhì)以層層交替的形式組裝成為了一個整體。這種微納米多級層狀結(jié)構(gòu)不僅賦予了鮑魚殼美麗的外觀，還賦予了鮑魚殼優(yōu)異的力學(xué)性能，在具有很高力學(xué)強度的同時也大幅度提高了斷裂韌性，實現(xiàn)了力學(xué)強度和韌性的完美統(tǒng)一。
受鮑魚殼有機—無機層層微納米組裝結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，程群峰教授課題組采用氧化石墨烯與有機分子構(gòu)筑了層狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。采用化學(xué)方法處理天然礦物石墨粉，即可獲得氧化石墨烯，成本相當(dāng)?shù)土?/p>
在前期仿生界面組裝的研究基礎(chǔ)上，程群峰教授課題組進一步開發(fā)了室溫π-π共軛鍵和共價鍵有序交聯(lián)策略，為制備高性能石墨烯納米復(fù)合材料提供了重要的理論指導(dǎo)。更重要的是，該石墨烯復(fù)合薄膜不僅拉伸強度可以與成本較高的準各項同性的商用碳纖維復(fù)合材料相媲美，而且韌性遠遠優(yōu)于后者。同時，這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復(fù)合薄膜還具有高導(dǎo)電性能，高電磁屏蔽性能以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和疲勞性能。這種廉價低溫有序交聯(lián)的高性能多功能石墨烯納米復(fù)合材料在航空、航天、汽車、柔性電子器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
圖1. 有序交聯(lián)石墨烯薄膜的制備過程(A-B)及照片(C)和橫截斷面微觀形貌(D-E)
圖2. 有序交聯(lián)石墨烯薄膜的力學(xué)(A)和電磁屏蔽效能(B)，以及原位拉曼光譜表征(C-F)
拓展：深度探究與合作
在談到研究取得的成果時，程群峰教授強調(diào)了團隊合作的重要性。他認為，團隊的活力和創(chuàng)造力，基于每一名成員自發(fā)主動的貢獻；團隊的凝聚力和動力，則依賴師生之間的良好互動和默契配合。課題組的同學(xué)們在老師的指導(dǎo)下明確分工，在保證各自獨立的情況下又積極溝通交流，齊頭并進，形成了良好的合作機制，向著共同的研究方向不斷努力。程教授表示，學(xué)術(shù)研究的過程就像采掘?qū)毷挥胁粩嗌钊?，不斷挖掘，才能得到收獲。因此，在確立科研方向后，刻苦鉆研、甘于奉獻的科研精神也是科研人員不可缺少的素質(zhì)。
下一階段，程教授將帶領(lǐng)課題組深入研究，從宏觀的平均層面轉(zhuǎn)至單層微觀層面，進一步闡釋仿生復(fù)合材料界面的增強增韌機理。同時，進行大量實驗驗證，尋找新的突破，繼續(xù)著力提高新型薄膜材料的性能，并將成果轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用。
圖3. 實驗室一覽
圖4. 程群峰教授（中）和他的團隊（部分）
結(jié)語：
新的技術(shù)和方法往往能帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的革新，超強韌高導(dǎo)電石墨烯薄膜可在室溫條件下以較低成本制備，有望最終取代飛機、汽車等設(shè)備使用的碳纖維復(fù)合材料，并且可以廣泛應(yīng)用于柔性電子器件等領(lǐng)域，市場潛力巨大。雖然已經(jīng)取得了一定成果，但程群峰教授及課題組的研究不會止步于此。在北航建設(shè)世界一流大學(xué)的征程中，我們也期待有更多創(chuàng)新人才的涌現(xiàn)。
文案：金睿、曾嘉琪
采訪：曾嘉琪、熊婷
設(shè)計：楊智涵
編審：北航門戶網(wǎng)站總編總監(jiān)工作室
投稿：geoos@kk111.net
