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　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉小青基于多年的生物基熱固性樹脂研究經(jīng)驗(yàn)，提出開發(fā)生物基材料的本質(zhì)是為了實(shí)現(xiàn)對生物碳的高效利用。基于此，研究團(tuán)隊(duì)利用激光燒蝕的方法，將生物基熱固性樹脂轉(zhuǎn)化為功能性碳材料，擬完成從“生物碳”到“生物基樹脂”再到“功能碳”的閉環(huán)轉(zhuǎn)化。

　　首先，基于苯并噁嗪樹脂高成炭率的優(yōu)勢，團(tuán)隊(duì)利用紅外激光光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從生物基苯并噁嗪樹脂到多孔石墨烯材料的高附加值、低成本轉(zhuǎn)化（圖1）。相較于其他樹脂前驅(qū)體材料，苯并噁嗪樹脂制備的多孔石墨烯材料展現(xiàn)出極高的比表面積（883 m2/g）以及導(dǎo)電性（35 Ω/sq），同時(shí)苯并噁嗪樹脂基底極強(qiáng)的耐化學(xué)能力也保證了這類可圖案化制備的石墨烯材料在苛刻環(huán)境下的使用穩(wěn)定性（Carbon, 2020, 163, 85-94）。

　　為了進(jìn)一步突出生物基苯并噁嗪樹脂作為前驅(qū)體的優(yōu)勢，團(tuán)隊(duì)利用苯并噁嗪單體的高流動(dòng)性特征，以金屬有機(jī)化合物/苯并噁嗪樹脂為碳源，開發(fā)了一種新穎的無溶劑制備金屬氧化物納米顆粒均勻負(fù)載多孔石墨烯材料的方法（圖2）。整個(gè)制備過程周期短、安全環(huán)保。得益于其特殊的多孔結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的電性能和磁性能，所制備的雜化材料展現(xiàn)出出色的絕對電磁屏蔽效率（28,044 dB cm2 g-1）；同時(shí)，這類雜化材料作為吸附劑在水處理中也展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。但是，這種通過激光輻照在樹脂表面生成的多孔石墨烯材料在走向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)，受制于樹脂本身性能的限制。為此，團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的分離策略，即利用樹脂基底與碳材料熱膨脹系數(shù)的差距，以液氮作為淬冷劑，實(shí)現(xiàn)兩者的快速分離，得到在結(jié)構(gòu)和性能上具有高保留完整度的獨(dú)立自支撐多孔石墨烯膜（Carbon, 2021, 183, 600）。

　　激光加工參數(shù)可控、路徑可調(diào)等特點(diǎn)可進(jìn)一步賦予了功能碳材料多樣性設(shè)計(jì)制備的優(yōu)勢。受自然界中具有極高太陽光利用效率的針葉森林結(jié)構(gòu)啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)通過碳材料多級(jí)結(jié)構(gòu)調(diào)控，成功構(gòu)建了一種由多孔石墨烯“樹”密排列成的三維石墨烯薄膜（Forest-like LIG）（圖3）。這種獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)使得入射光在“樹”之間以及“樹枝”之間進(jìn)行多次反射，顯著減小了石墨烯的光反射。結(jié)合石墨烯本身的光熱特性，F(xiàn)orest-like LIG在太陽光全波長范圍內(nèi)具有高達(dá)99.0%的光吸收率以及優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能（在一個(gè)太陽光強(qiáng)度的氙燈照射下平衡溫度達(dá)到90.7 ± 0.4 ℃）。同時(shí)因?yàn)镕orest-like LIG獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)及表面微納結(jié)構(gòu)，材料表現(xiàn)出超疏水性能。基于這兩種特性，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出具有快速驅(qū)動(dòng)響應(yīng)和高運(yùn)動(dòng)速度的光熱驅(qū)動(dòng)器以及具有持久抗鹽性能和高太陽能蒸發(fā)效率的雙層太陽能界面海水淡化膜，揭示了Forest-like LIG在光熱領(lǐng)域的應(yīng)用潛力（ACS Nano, 2021, 15, 12, 19490-19502）。

　　借助激光掃描路徑可控的優(yōu)勢，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制備了圖案化石墨烯復(fù)合材料并探究了其在熱管理領(lǐng)域的應(yīng)用（圖4）。通過重復(fù)激光處理，石墨烯的質(zhì)量大幅度提高，同時(shí)多孔結(jié)構(gòu)得以保留；填充樹脂后，所制備復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)可以達(dá)到8.2 W/(m·K)，與純樹脂相比提高了近45倍。通過圖案化設(shè)計(jì)，復(fù)合材料的熱量傳遞具有明顯的方向性，并且展現(xiàn)出良好的散熱效果。此外，基于石墨烯優(yōu)異的電熱性能，團(tuán)隊(duì)還提出可設(shè)計(jì)性圖案化加熱器，其中每個(gè)加熱單元的電熱性能可以通過調(diào)整激光參數(shù)進(jìn)行定制。這為模擬電子設(shè)備中非均勻熱源的真實(shí)情況提供了獨(dú)特的機(jī)會(huì)，將有助于散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。這種激光加工制造工藝可以在局部和任何區(qū)域添加功能特性，并不會(huì)對基底造成過度損害而影響結(jié)構(gòu)完整性，為多功能結(jié)構(gòu)一體化復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制備提供了一種選擇可行性。（Nano Energy, 2022, 100, 107477）

　　近日，團(tuán)隊(duì)通過簡單調(diào)控激光掃描模式，設(shè)計(jì)制備了圖案化超潤濕石墨烯表面，實(shí)現(xiàn)了高效的能源利用和轉(zhuǎn)換（圖5）。團(tuán)隊(duì)利用激光光柵掃描和矢量掃描兩種模式，構(gòu)建了不同的超潤濕石墨烯表面，即具有多孔石墨烯結(jié)構(gòu)的超親水（LSHL）表面和具有石墨烯顆粒覆蓋微柱陣列結(jié)構(gòu)的超疏水（LSHB）表面。通過設(shè)計(jì)圖案化超潤濕性表面，形成毛細(xì)管力梯度，研究成功地將表面能轉(zhuǎn)化為液體動(dòng)能，從而實(shí)現(xiàn)水的定向、無泵輸送以及電子器件的局部冷卻。此外，得益于其獨(dú)特的陣列結(jié)構(gòu)，LSHB表面具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合石墨烯本身的電熱和光熱特性，LSHB表面還表現(xiàn)出優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)換（222 ℃·cm2/W）和光熱轉(zhuǎn)換（88%）性能。基于以上特征，LSHB材料在防結(jié)冰和除冰中展現(xiàn)出應(yīng)用潛力（Small, 2022, DOI:10.1002/smll.202202906）。

　　上述工作得到國家自然科學(xué)基金、浙江省杰出青年基金和寧波市自然科學(xué)基金等的支持。

圖1 苯并噁嗪樹脂基激光誘導(dǎo)石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 (a)金屬氧化/石墨烯雜化材料和(b)獨(dú)立自支撐多孔石墨烯膜

圖3 Forest-like LIG的結(jié)構(gòu)與性能

圖4 圖案化石墨烯復(fù)合材料

圖5 圖案化超潤濕石墨烯表面