浙江大学高超教授和许震研究员课题组（第一作者是庞凯博士）--溶致塑化发泡法制备石墨烯气凝胶及其在人工智能触觉传感器中的应用

固体直接发泡是制备多孔材料最有效的方法。然而，由于强烈的界面相互作用使得固体的可塑性被压制，这理想的发泡法无法制备纳米颗粒气凝胶。在这里，发明了一种溶致塑化发泡法，将固态氧化石墨烯直接转化为气凝胶块体和微阵列，取代了常用的冷冻方法。水分子的插入使固态氧化石墨塑化，使直接发泡而不是灾难性破碎。气泡的形成遵循一般结晶规则，纳米级精确控制细胞壁厚8nm。气泡团簇形成紧密搭接的双曲面结构，并呈现出超强机械稳定性，具有抗极端变形能力。利用石墨烯气凝胶制作具有超灵敏和超稳定性的触觉微阵列传感器，在人工智能触摸识别方面，其精度高达80%，优于人手的触觉灵敏度（30%）。

Figure 1. 溶致塑化发泡石墨烯气凝胶的制备及机理。（A）溶致塑化发泡的过程。（B）氧化石墨烯中水分子的插入实现片层塑化。（C）随着气泡的成核与生长氧化石墨烯片缓慢的发生塑化滑移形变，直至稳定。（D）形成紧密搭接的双曲面石墨烯气凝胶。（E）石墨烯气凝胶的扫描形貌图及气泡结构模型图。

Figure 2. 气泡的成核与生长及结构控制。（A）通过光学显微镜原位观察了溶致塑化发泡过程中气泡变化。（B）气泡在成核和生长过程中的形貌图及示意图。（C）气泡成核密度（Nn）与石墨烯气凝胶壁厚（T）的关系。（D）壁厚随着气泡成核密度增加而降低的示意图。（E）气泡生长时间（t）与所得气凝胶的密度（ρ）的关系。

Figure 3. 溶致塑化发泡石墨烯气凝胶的机械稳定性。（A）将大块石墨烯气凝胶反复折叠压缩进入到一个细长弯管中，气凝胶结构未遭到破坏且未出现明显的碎屑脱落。（B）石墨烯气凝胶在90%的应变下经过105次循环的压缩应力应变曲线。（C）石墨烯气凝胶压缩循环性能与的文献中的性能进行对比。（D-G）拉伸、剪切、弯曲、撕裂过程的力学曲线对比。

Figure 4. 高灵敏度的石墨烯气凝胶。（A）石墨烯气凝胶传感器的结构及SEM图。（B）传感器的压阻变化曲线。（C）传感器的压阻疲劳稳定性。（D）所制备的传感器与文献对比。（E）将传感器固定于机械手上进行超轻碳气凝胶密度的识别。（F）压缩距离和阻力关系的拟合曲线，确定密度。

相关研究工作由浙江大学高超教授和许震研究员课题组（第一作者是庞凯博士）于2020年发表在Science Advances期刊上。原文：Hydroplastic foaming of graphene aerogels and artificially intelligent tactile sensors。