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看我“七十二变”——氧化石墨烯纤维的精确可逆融合与分裂

自带“返回键”的变化

在中国的四大名著之一《西游记》中，孙悟空精通七十二变，面对妖怪时能变成老虎、大树、大山等，最后又重新变回原本的模样。现实生活中，类似这种魔法般的动态可逆转变却难以实现。每一个固体单元都有自己的特定形状和尺寸，多个固体融合在一起组装成一个整体不难，但是结合越紧密往往分离就越难。因此无法通过分离再另外组装成其他形式的整体。

早前，科学家从细胞的融合与分裂中获得灵感，仿生设计了功能性的组装体，比如聚合物囊泡在光或热的刺激下，能够实现融合或/与分裂。但是在融合与分裂的“可逆”这一环节遇到了阻碍。就像两个肥皂泡融合成一个大泡后就难以复原，即便分开也不再是原先的两个泡了，内在的组分已经打乱重新分配过了。

经过5年的研究，浙江大学高超教授团队在国际上首次发现，氧化石墨烯片具有适应性形变的能力，氧化石墨烯基纤维在宏观尺度上能够在融合之后实现精确可逆的分裂，好比是自带了一个“返回键”。成果发表在国际顶级期刊《科学》等，将极大地推进未来可逆组装的发展。项目的合作者为西安交通大学的刘益伦教授团队和澳大利亚莫纳什大学的Laurence Brassart教授。

精确可逆，变幻自如

“所谓精确可逆，就是物体的数量、尺寸、组分、结构和性能等在一次融合-分裂循环之后可以恢复到原始状态。但之前的研究因为在材料界面发生了不可逆的物理或化学变化，所以还没有能够做到精确可逆。”项目负责人高超说。

基于此发现，团队将13500根氧化石墨烯纤维融合成一根直径1.2毫米的细长黑柱子，这根刚性的黑柱子可以承受680倍自身重量的力。当把黑柱子放到水中时，柱子解离分裂变成了13500条柔软的纤维。把这些纤维拿出来编织，就能做成一张节点融合的柔性网。这张网仍然保持了较好的强度，上面放辆玩具车完全没有问题。也就是说这些纤维再融合之后依然能作为功能材料来使用。把实验过程颠倒过来后，网又重新变回了柱子。

通过特定的处理方式，氧化石墨烯纤维融合得到的固体材料可以像孙悟空那样，七十二变后再变回原本的样子。也就是说，这项成果实现了氧化石墨烯宏观固体材料精确可逆的组装。

组成柱子和网的氧化石墨烯纤维并没有发生变化。那怎么证明分裂后变成的13500条纤维还是原先的那13500条纤维呢？团队通过荧光染料及硅纳米颗粒标记的方式证明了每一条纤维的内在结构，纤维里面的成分确实没有在多次融合-分裂后互相“串门”交换。

揭秘可逆，充当“返回键”的适应性形变

为什么氧化石墨烯能做到精确可逆？这与分子本身的特性有关。高超团队一直致力于石墨烯宏观组装的研究。团队在2016年就发现，二维的氧化石墨烯片具有自粘接性质，可以完成融合。

那么，氧化石墨烯纤维融合后还能再分裂吗？

团队在一次实验中发现，氧化石墨烯由于分子自身带有特殊的性质，即二维拓扑、丰富的含氧官能团、超柔性、自粘接，多根氧化石墨烯纤维融合后的粗纤维密度大、孔隙率少、界面结合适中，这就使得材料的亲和力刚刚好，能够很容易地融合到一起，但结合力又不像钢那样强，所以还能分得开。为了解在微观尺度上发生了什么，研究人员使用光学和扫描电子显微镜来观察融合和分裂过程。他们发现，当氧化石墨烯薄片制成的纤维置于水或极性有机溶剂中时，纤维会溶胀，体积膨胀率最高达近40倍，提供了充分的表面形变的空间。通过溶胀和干燥，纤维表面发生适应性的形变，形状在起皱和光滑的管状之间可逆地转换，从而使表面通过自粘接融合在一起，反之使表面因为曲面力的作用而排斥分开。这种形变会产生灵活可逆的粘接界面，使任意数量的氧化石墨烯纤维可以反复地融合和按需解离。

穿上“外衣”，普通材料也能72变

更神奇的是，氧化石墨烯纤维这种重要的属性还能拓展到别的材料上。团队发现，如果在尼龙、蚕丝、不锈钢丝、玻璃纤维等常见的高分子、金属、无机非金属纤维的表面涂上一层氧化石墨烯，这些普通的材料也能够具有“组装-精确还原”的功能。

高超表示，相比于已有的研究，团队此次完成的氧化石墨烯基纤维精确可逆的融合-分裂过程是可控的，而且材料尺寸大，对于高性能碳质纤维的制备、固体在可逆组装过程中的界面科学、材料的有效回收和重复利用等方面具有启发意义。

《科学》杂志发表评论，对此成果给予了高度的评价。来自日本信州大学的Rodolfo Cruz-Silva教授和美国宾汉姆顿大学的Ana Laura Elías教授评价道：“发展一种简单、可逆的纤维组装方法将解决人造纤维面临的重大挑战。氧化石墨烯基结构的低能耗、基于刺激的可逆组装代表了一个有吸引力的领域，有许多可能的应用。氧化石墨烯纤维的可逆组装模仿自然，并有令人振奋的潜力去推动该领域向前发展”。