超越人类认知的石墨烯泡沫，幽灵一样存在着

　　石墨烯被公认为是21世纪的＂未来材料＂和＂革命性材料＂。石墨烯作为一种具有异乎寻常特性的极薄的碳原子材料，因其独特的电学性能、力学性能、热性能、光学性能和高比表面积，吸引了化学、物理、材料、能源、环境以及跨学科领域人员极大的研究热情，在触摸屏、传感器、电池、过滤系统以及太阳能电池上有很多前沿技术应用。
　　石墨烯与泡沫材料聚合物（简称石墨烯泡沫材料，以下同）的开发是石墨烯迈向实际应用的一个重要研究方向。由单原子厚度的石墨烯材料混合其他材料发泡制成的石墨烯泡沫，有着与生俱来傲娇冷艳的特质，像气球一样轻盈，却像金属一样坚固，以至于因研究石墨烯材料而获得诺贝尔奖的安德烈·海姆先生惊叹：这些气泡是无处不在！石墨烯与泡沫材料将各自优势完美联姻，增强了结构和性能，尤其是特殊功能满足了一些重要领域的迫切需求，成为中外科学家近几年重要的研究方向
　　石墨烯泡沫，简直幽灵一样的存在！以下研究实验足以超越我们人类的现有认知。
　　01
　　至轻 至坚 装甲必备
　　石墨烯泡沫，可以承受巨大的压力。曼彻斯特大学的研究团队通过实验表面，微米大小的石墨烯泡沫可以承受约200帕斯卡，而泡沫小于10纳米可以承受1吉帕斯卡的压力。承受力度超过每平方英寸1.45万磅的外力的重击也不成问题。
　　（a-c）不同形状石墨烯泡沫的原子力显微镜图像比例尺：500nm(a)；100nm(b)；500nm(c)。右侧竖直的比例表明的是泡沫的高度
　　中科院上海研究所研制出与钻石同等稳定性的蜂窝状结构的石墨烯泡沫，强度比同重量的钢材要大207倍，能够支撑起相当于其自身重量40万倍的物体而不发生弯曲；还可以被挤压成其原始大小的约5%，而且依然能够恢复其原来的形态，而且即使这一过程重复1000次还能保持完好无损。
　　因石墨烯泡沫强劲的抗压力特性，可用在防弹衣的夹层材料和坦克表面的缓冲垫，以吸收来自子弹、炮弹、火箭弹的冲击力，也可将其研发成保护装甲车和其他军用运输车的机动性防护装备。
　　02
　　油水分离 过滤优选
　　近些年来清洁能源得到高效开发，但即便如此，世界各地仍在消耗石油。只要石油这一能源在世界各国运送，那么石油泄漏则是无法规避的现实，Graphene 3D Lab研发的创新型石墨烯泡沫材料可以保证高效清洁被泄漏的石油及污染物， 成为土豪国家解决石油泄漏非常抢手的高技术清理解决方案。
　　这种密度约为20毫克/立方厘米的超轻质石墨烯泡沫材料，比空气重约17倍（水的密度比空气的高784倍）可以吸收3500%至8000%的有机溶剂或油中的重量，所有这些都完全不受水的影响。该材料已被证明在下一代能源存储设备、化学催化剂、超灵敏的传感器等方面具有潜在的应用。
　　中科院新疆研究所也设计了具有超疏水特性的油水分离用石墨烯泡沫材料，水的接触角为153°，提高材料油水分离的效率，保持了石墨烯泡沫的三维结构，对油及有机溶剂具有良好的吸附性能。
　　图：超疏水石墨烯泡沫的结构及油-水分离过程
　　由于该材料具有很好的疏水性质，材料在油水分离过程中，分离效率得到了明显的改善。因此，该材料既可以作为吸附材料使用，还可以作为过滤膜材料使用。
　　03
　　机械像素 耐用节能
　　兰代尔夫特理工大学利用石墨烯泡沫色变效应可作为未来新型显示技术的可能性选择。通过＂机械像素＂最终可以使屏幕比当前的 LED 屏幕更灵活，耐用，节能。
　　研究人员在使用覆盖石墨烯的氧化硅板过程中发现了这种现象：氧化硅板上有大约人类头发十倍宽的孔洞，而石墨烯则可以横跨这些小孔。使用这些样品时，研究人员注意到随着石墨烯的气泡随着膨胀和收缩会改变颜色。当压力变化时，气泡变成凹状或凸状，从而改变光线折射角度，让气泡产生不同的颜色。
　　04
　　助推火箭燃烧速率提升9倍
　　普渡大学研究人员开发使用石墨烯泡沫作为推进剂配方，可以显著改善添加剂的燃烧速率和可重复使用性。
　　研究小组开发了制造和使用固体燃料的组合物的方法，将固体燃料负载在高导电性、多孔结构的石墨烯泡沫上，以提高负载固体燃料的燃烧速率。测试表明，使用功能化的石墨烯泡沫结构，燃烧速率提高了9倍。
　　石墨烯泡沫具有超轻质和高度多孔性，意味着可以在这些孔中倒入燃料来帮助点燃火箭发射。石墨烯泡沫结构在高温下也表现一定的热稳定。具有的3D互连结构和更有效的热传输路径，可以使热量更快速的扩散并点燃推进剂。
　　这种石墨烯泡沫可应用导弹防御系统、航天器、火箭、超音速以及特定制纳米材料领域。
　　05
　　电导率达到极大
　　在传统泡沫材料中，电学性能通常不是最关键的性能。但是，三维石墨烯泡沫材料则截然不同， 继承了单层石墨烯卓越的电学性能，为理论研究 提供方向，突破了在功能器件方面的创新应用。
　　中科院力学研究所研究员提出了一种理论框架，系统研究了三维石墨烯泡沫的导电性能，并在该体系中发现了电导率极大现象，即随石墨烯薄片层数的增加，电导率先增大后减。该工作为优化三维石墨烯泡沫材料的导电性能提供了理论基础，并将促进该材料在功能器件方面的应用。
　　图1.理论框架。(a)第一级：研究石墨烯薄片间的电导。（b）第二级:提取平均接触面积、平均接触点密度等几何特征。(c) 理论计算结果表明存在电导率极大现象。
　　图2. 外载作用下，三维石墨烯泡沫材料的电阻变化规律。（a）不同应变下，三维石墨烯泡沫材料的结构演化。（b）电阻随应变的变化。（c）循环加载下电阻的变化。（d）第七次循环加载下电阻随应变的变化。
　　06
　　出色的电磁干扰屏蔽材料
　　具有轻质和出色导电性的三维结构石墨烯泡沫是一种高效的电磁干扰屏蔽材料，可用于管理日益严重的电磁污染。
　　哈尔滨工业大学研究人员开发了这种导电性良好和互连多孔结构的石墨烯混合泡沫，将高导电性的二维Ti3C2Tx MXene纳米片引入GO，然后通过冷冻干燥和热还原处理来制备轻质的MXene /石墨烯混合泡沫（MX-rGO）。可高效衰减电磁波，达到良好的屏蔽效果，并优与大多数电磁干扰屏蔽材料（如以氧化石墨烯为前体制造的3D石墨烯）。在航空航天和下一代智能设备中具有潜在的应用前景。
　　图1.MX-rGO泡沫合成示意图
　　图2.（a）厚度为1.5 mm的rGO泡沫和MX-rGO泡沫的EMI SE。（b）厚度不同的MX-rGO1：2的EMI SE。（c）厚度为1.5毫米的rGO泡沫和MX-rGO泡沫的SSE。（d）在12.4 GHz处厚度为1.5 mm的rGO泡沫和MX-rGO泡沫的T，A和R值，以及（e）总EMI SE（SE Total），微波吸收（SEA）和微波反射（SER）的比较。（f）电磁波跨MX-rGO泡沫传递的示意图。
　　07
　　全能型太赫兹隐身材料
　　近年来随着半导体技术和光电子技术的发展，尤其是超快激光技术的发展，太赫兹技术得到了极大的发展。太赫兹技术被美国评为＂改变未来世界的十大技术＂之一，被日本列为＂国家支柱十大重点战略目标＂之首。
　　太赫兹波段覆盖范围广，具有非常好的时间和空间分辨率，能穿透非透明非极性材料，并且能量低，不会损坏被检测物质，对大部分生物细胞也基本无害。由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，且具有很多其它波段不具备的性质和优点，使得它成为物理、化学、军事、材料等多个领域关注的焦点。
　　有效隐身频率范围宽：不同热处理温度和厚度的石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射损耗
　　针对传统隐身材料无法有效对抗太赫兹波探测的挑战，南开大学研究人员提出了利用石墨烯泡沫作为太赫兹隐身材料的新思路。实验有效证明：石墨烯泡沫在0.64 THz实现了28.6 dB的太赫兹吸收效率，其有效隐身频段覆盖了整个测试频段，性能远优于大多数的公开文献。而且，三维石墨烯的比吸收性能(SATA)超过其他材料3000倍以上。石墨烯泡沫结构有效降低了材料的有效介电常数，使得太赫兹波在材料表面的反射率大大降低，能够轻松进入材料的内部，太赫兹吸收效率高，有效隐身频率范围宽，适用太赫兹波入射角度广。
　　图：适用太赫兹波入射角度广：不同入射角下石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射损耗
　　现有的吸波材料只能对抗GHz频段的雷达探测，新型太赫兹雷达将使最先进的隐身战机和舰船无所遁形，三维石墨烯泡沫作为一种能够对太赫兹波具有低反射、高吸收特性的材料，在未来的太空探测、军事雷达、通信和民用检测和探损中具有非常大的潜力。
　　08
　　高性能超宽谱光电探测器制备材料
　　光热电效应是通过光诱导温度变化从而引起的热电转换，高性能超宽谱光电探测器在生物成像、光通信、导弹制导、遥感等诸多光电子系统中起着重要的作用。然而，由于太赫兹和微波区域的光子能量过低，无法激发传统半导体(如硅)中的电荷跃迁，而利用单一器件很难实现由紫外到微波波段的超宽谱光电探测。
　　图1：三维石墨烯材料性能表征。
　　天津大学研究人员利用三维泡沫石墨烯，实现了紫外-太赫兹-微波超宽光谱探测，并制备了非对称电极型光电器件——高性能，宽光谱光热电探测器，为未来在室温下工作的超宽带、高灵敏度新型光电探测器研究提供理论基础和技术支撑。
　　通过基本的材料表征手段结果显示，三维石墨烯泡沫由蜂窝网状的石墨烯片构成，不仅继承了单层石墨烯的优点，而且具有更强的光吸收能力、热性能和长范围的导电网络结构。同时，吸收光谱显示了由400 nm至1 mm范围内的超宽光谱吸收特性（最高表现为103 A·W−1的高光响应度，43 ms的短响应时间和80Hz的-3db带宽。）
　　图2：三维石墨烯器件在532 nm激光辐照下的光电特性
　　在此基础上，利用光热电理论模型以及变温实验充分讨论了该器件的光热电效应机制，定量地分析非对称型电极光电器件的响应度比对称型电极器件高出89%。
　　由此可见，三维石墨烯可作为未来制备高性能、超宽谱光电探测器的理想材料。
　　09
　　临近绝对零度的极强伸缩性
　　绝对零度（零下273.15摄氏度）是热力学的最低温度，是宇宙内最低温度。在绝对零度下，原子和分子拥有量子理论允许的最小能量。在人类已有的认知内，由于绝对零度下，任何能量都应消失殆尽，任何坚硬的物质都可以像玻璃一样瞬间摔碎。但，石墨烯泡沫创造了奇迹。
　　南开和莱斯大学的研究人员发现，利用3D交联石墨烯泡沫在接近绝对零度的温度下依旧可以保持弹性。因此，研究人员使用他们开发的三维交联石墨烯泡沫，使用自制的原位大应变力学分析系统研究了石墨烯泡沫在液氦中的力学性能。他们的系统可以连续监测从不会破坏真空密封条件下-270℃的深冷温度到1000℃的高温范围内石墨烯泡沫材料变形状态：在将石墨烯泡沫压缩到原始尺寸的十分之一后，泡沫几乎回弹到原来的形状。泡沫在高温下的表现良好。当加热到1000℃时，泡沫在压缩测试中的表现几乎和在室温下一样好。它们具有非凡的机械性能、柔韧性和非凡的热稳定性。
　　与室温相比，液态氦中石墨烯泡沫的机械性能几乎没有差异，包括高达90%应变的几乎完全可逆的超弹性行为(在压缩到其原始厚度的十分之一后)、不变的杨氏模量、接近零的泊松比和极大的循环稳定性。
　　这的结果着实让人们印象深刻。许多行业都需要能够在低温下对力做出弹性响应的材料，当暴露在极低温度时，几乎所有材料都变得更脆和更硬，从而导致强度下降。研究人员一直在寻找一种在极端温度下被压扁后会回弹的新材料，石墨烯泡沫满足了他们的研究需求。这类石墨烯泡沫材料可应用于医疗、石油和天然气、基地考察、深海作业以及航天以及太空探索领域。
　　10
　　石墨烯泡沫作为器官再生的新用途
　　博伊西州立大学研究小组在美国化学学会期刊上发布了一篇《石墨烯泡沫作为器官再生的新用途》，主要研究了石墨烯泡沫在肌肉组织中的应用，研究结果表明石墨烯泡沫，非常适宜作为生长官能肌肉组织的支架材料。最终，研究人员把石墨烯和石墨烯泡沫的独特性能，用在人体器官再生上。
　　过去的研究已经证实了可以在石墨烯泡沫上生长骨和软骨，但这只是石墨烯泡沫与肌肉生长相容性的第一歩研究。该团队小组人员表示：＂我们不仅证明石墨烯泡沫可以增强 成肌干细胞的分化，而且我们把石墨烯泡沫作为电极，使用电极刺激肌肉，可以看到细胞的运动和在石墨烯泡沫上的肌肉的收缩。
　　在中国组织工程研究出版的《石墨烯生物应用》中，进一步证实了化学气相沉淀方法制备三维石墨烯泡沫的细胞兼容性。细胞测试结果表明，与学气相沉淀方法制备的单层或者少层石墨烯薄膜细胞培养衬底相比，神经干细胞在石墨烯泡沫同样附着性好、活性高、但由于多孔结构具有更大的比表面积、更加有利于养分的传输和新陈代谢的排泄，因此更加有助于干细胞的增殖。三维多孔结构更加有利于神经系的形成，可用于开发新型生物活性支架材料在组织工程和再生医学领域的应用研究。
　　11
　　极大提升用太阳能-热能转换效率
　　如何实现高效的太阳能-热能转化是有效利用太阳能的关键问题。北京大学研究人员制备了多级结构石墨烯泡沫，极大提升了太阳能-热能转换效率，实现高效光热转化材料的设计探索。
　　图：多级石墨烯泡沫的结构和可控生长
　　北京大学研究人员通过等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）制备的具有连续孔隙的多级结构石墨烯泡沫（h-G泡沫），特点在于多孔的三维石墨烯泡沫骨架上构筑了垂直石墨烯纳米片阵列结构。在光学上，这种结构即使在小角度入射角下，仍保持高效的光吸收和很小的反射，该性质有利于材料在真实自然环境下的光热转化应用。作为光热转换材料，多级结构石墨烯泡沫可以实现约93.4％太阳能-热能转换效率。
　　此外，多级结构石墨烯泡沫由于具有优异的抗腐蚀性能且质量较轻，因而适用于便携式光热转换应用，例如污水处理和海水淡化。其中，海水淡化应用的太阳蒸气转化效率超过90％，超过了大部分已有的光热转换材料，且具有良好的耐久性和循环使用性能。
　　12
　　石墨烯生物泡沫：简便、廉价净化水
　　华盛顿大学的程师们研发出一种利用太阳能净化水的石墨烯生物泡沫，其结构非常简单，石墨烯生物泡沫净化水的过程就像海绵吸水的过程一样，将水蒸发到上层，将杂质留下，收集可以饮用的新鲜水。这种石墨烯生物泡沫的生产成本低，适用于批量成产，对于一些水资源匮乏而光照好的国家带来了福音。
　　这种薄膜是由细菌产生的两层纳米纤维构成的生物膜。其中下层含有原始纤维素，上层含有可以吸收太阳能产生热量的氧化石墨烯。石墨烯生物泡沫净化水的过程就像海绵吸水的过程，将水蒸发到上层，将杂质留下，于是可以饮用的新鲜水便被留在了上层中。研究人员指出，这种材料质量轻、成本低，适合大量生产，尽管结构简单，但石墨烯泡沫材料形成一种无需能量和管道的水净化系统。纤维素可以大批量生产，氧化石墨烯薄片非常的便宜，可以成吨的生产。
　　生物泡沫的生产系统也包括其他纳米结构的物质，可以用来杀菌、净化水，保障饮用水的安全。对于那些缺水而光照好的国家，可以使用这款石墨烯泡沫材料对脏水进行蒸发净化得到新鲜的饮用水。
　　13
　　柔性电池和超级电容器制备材料
　　Graphene 3D Lab 公司推出了一款石墨烯柔性泡沫。由导电弹性复合材料与超轻的石墨烯泡沫（一种高导电性的3D化学气相沉积）混合而成的一种多层独立式结构。作为一种柔性泡沫，它同时具备质轻和可重构两大优点。同时它还是一种多孔结构，所以使用和操作都很轻松。
　　石墨烯柔性泡沫是制造锂离子电池电极的最佳基础候选材料。当电子元件、传感器和导电设备都能以柔性可穿戴材料制成，可穿戴电子产品就将成为必然。这种新型材料在接下来几代柔性电池和超级电容器的开发上是很有前景的，另外，这种新材料还能作为许多有机合成反应的催化剂载体，或是用于气体传感器、柔性与超声波声学设备制造的能量存储。
　　14
　　治愈关节疼痛
　　石墨烯与干细胞生物的结合可能将来会出现针对骨关节炎的新疗法，影响全球数百万人的骨关节炎是最常患的关节炎。
　　美国博伊西州立大学的研究人员发表了名为＂具有机械性能的石墨烯泡沫复合组织材料＂的新研究。石墨烯泡沫与软骨组织工程的软骨细胞系相容，这是第一项关注工程组织的粘弹性行为以测试生长软骨功能的研究。在生物医学用途具有其他潜在的广泛优势，包括军事人员面临的健康风险和伤害。
　　15
　　探测爆炸物
　　伦斯勒理工学院的研究人员使用石墨烯泡沫研制出了这种邮票大小的新型传感器。他们将石墨烯单层碳原子种植在泡沫镍结构上，随后移除泡沫镍，留下一个类似泡沫的石墨烯结构，其具有独特的电性，能够用于执行传感任务。
　　当将其暴露于空气中时，空气中的粒子会被吸收到泡沫表面，而且每个这样的粒子会用不同的方式影响石墨烯泡沫，对其电阻进行微小的改动。让电流通过其中并且测量电阻的变化，就能知道泡沫上依附的是什么粒子。研究人员让大约100毫安的电流通过该泡沫，结果发现，这种石墨烯泡沫能够导致粒子解吸。
　　研究人员对传感器进行了微调，让其来探测氨水（自制爆炸物硝酸氨的关键成分），该石墨烯泡沫传感器在5分钟到10分钟内就设法探测到了这种富有攻击性的粒子，而且效率是现有市面上最好探测器的10倍。研究人员接着用其来探测有毒气体二氧化氮（爆炸物分解的时候也会释放出这种气体），结果表明，其效率也是目前商用传感器的10倍。在不远的未来，研究人员能在此基础上研制出更优异的炸弹探测器和环境传感器。
　　石墨烯泡沫可探测低浓度爆炸物，有一天可能成为拆弹对携带的工具包中的标配。
　　16
　　三维结构电极材料
　　美国莱斯大学研究人员制备了三维结构的钢筋石墨烯泡沫。该材料可以承载超过其自身重量3150倍的物体，即使当支撑的重量超过其自身重量8500倍时，也仅有25%的结构会发生永久性变形。相比之下，此前曾有团队制备的没有碳纳米管强化的石墨烯泡沫支撑物体的重量仅为其自身重量的150倍。
　　该研究团队测试了＂钢筋石墨烯＂泡沫作为锂离子电容器中的高度多孔的导电电极，发现其在机械和化学性能上都是稳定的。这也意味着该钢筋石墨烯泡沫材料有希望作为三维结构的电极，应用在比如锂离子电池和锂空气电池等相关产品中。
　　17
　　聚氨酯石墨烯泡沫的应用
　　石墨烯聚氨酯功能性复合发泡材料成为中外长期研究的热点，并推动了石墨烯实际应用范围。
　　聚氨酯泡沫材料本身普遍存在物理性能差、耐热性差及复合材料存在填料用量多效果差等问题，很难实现材料的阻燃性和更加轻量化，已成为该领域发展的瓶颈。
　　图：石墨烯改性常用方法
　　相比于传统的纳米填充材料，石墨烯具有更高的表面体积比及柔软性、力学性能。石墨烯与聚氨酯泡沫混合物在材料结构、性能，尤其是特殊功能方面体现出的优异特性，可以提升聚氨酯的力学性能和热稳定性。在此基础上填充石墨、炭黑、碳纳米管、纳米粘土和无机纳米粒，生产功能性复合泡沫材料，可在航天航空、汽车雷达吸收、电磁干扰屏蔽、吸油剂、传感器、防火、形状记忆、生物医学材料等方面广泛应用。
　　2010年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在凭借石墨烯拿到诺贝尔物理学奖后，无数人蜂拥而至，如今石墨烯泡沫及其相关研究在领域已被各路高手先占山为王，一旦有新进展时，说不定在未来的某天可以祭出杀手锏号令天下。作为一直以来高冷的超级材料，石墨烯泡沫正在慢慢从实验室迈出第一步，至于量产化甚至商用，人们太期待又等不及。
　　就单单跳出石墨烯泡沫这一细分，扩展至石墨烯材料产业本身，要想实现规模化商业化应用，最大的难点除了技术研发上的突破外，还需要跨行业跨学科协同创新来完成。同时，石墨烯产品的产业落地应用，也需要上下游企业密切配合，这些都是漫长而复杂的过程。
　　新材料之王的桂冠下，各路研究大侠仍肩负着越来越重的时代使命。