超越人類認知的石墨烯泡沫，幽靈一樣存在著

石墨烯被公認為是21世紀的「未來材料」和「革命性材料」。石墨烯作為一種具有異乎尋常特性的極薄的碳原子材料，因其獨特的電學性能、力學性能、熱性能、光學性能和高比表面積，吸引了化學、物理、材料、能源、環境以及跨學科領域人員極大的研究熱情，在觸控螢幕、傳感器、電池、過濾系統以及太陽能電池上有很多前沿技術應用。

石墨烯與泡沫材料聚合物（簡稱石墨烯泡沫材料，以下同）的開發是石墨烯邁向實際應用的一個重要研究方向。由單原子厚度的石墨烯材料混合其他材料發泡製成的石墨烯泡沫，有著與生俱來傲嬌冷豔的特質，像氣球一樣輕盈，卻像金屬一樣堅固，以至於因研究石墨烯材料而獲得諾貝爾獎的安德烈·海姆先生驚嘆：這些氣泡是無處不在！石墨烯與泡沫材料將各自優勢完美聯姻，增強了結構和性能，尤其是特殊功能滿足了一些重要領域的迫切需求，成為中外科學家近幾年重要的研究方向

石墨烯泡沫，簡直幽靈一樣的存在！以下研究實驗足以超越我們人類的現有認知。

01

至輕至堅 裝甲必備

石墨烯泡沫，可以承受巨大的壓力。曼徹斯特大學的研究團隊通過實驗表面，微米大小的石墨烯泡沫可以承受約200帕斯卡，而泡沫小於10納米可以承受1吉帕斯卡的壓力。承受力度超過每平方英寸1.45萬磅的外力的重擊也不成問題。

（a-c）不同形狀石墨烯泡沫的原子力顯微鏡圖像比例尺：500nm(a)；100nm(b)；500nm(c)。右側豎直的比例表明的是泡沫的高度

中科院上海研究所研製出與鑽石同等穩定性的蜂窩狀結構的石墨烯泡沫，強度比同重量的鋼材要大207倍，能夠支撐起相當於其自身重量40萬倍的物體而不發生彎曲；還可以被擠壓成其原始大小的約5%，而且依然能夠恢復其原來的形態，而且即使這一過程重複1000次還能保持完好無損。

因石墨烯泡沫強勁的抗壓力特性，可用在防彈衣的夾層材料和坦克表面的緩衝墊，以吸收來自子彈、炮彈、火箭彈的衝擊力，也可將其研發成保護裝甲車和其他軍用運輸車的機動性防護裝備。

02

油水分離 過濾優選

近些年來清潔能源得到高效開發，但即便如此，世界各地仍在消耗石油。只要石油這一能源在世界各國運送，那麼石油洩漏則是無法規避的現實，Graphene 3D Lab研發的創新型石墨烯泡沫材料可以保證高效清潔被洩漏的石油及汙染物，成為土豪國家解決石油洩漏非常搶手的高技術清理解決方案。

這種密度約為20毫克/立方釐米的超輕質石墨烯泡沫材料，比空氣重約17倍（水的密度比空氣的高784倍）可以吸收3500%至8000%的有機溶劑或油中的重量，所有這些都完全不受水的影響。該材料已被證明在下一代能源存儲設備、化學催化劑、超靈敏的傳感器等方面具有潛在的應用。

中科院新疆研究所也設計了具有超疏水特性的油水分離用石墨烯泡沫材料，水的接觸角為153°，提高材料油水分離的效率，保持了石墨烯泡沫的三維結構，對油及有機溶劑具有良好的吸附性能。

圖：超疏水石墨烯泡沫的結構及油-水分離過程

由於該材料具有很好的疏水性質，材料在油水分離過程中，分離效率得到了明顯的改善。因此，該材料既可以作為吸附材料使用，還可以作為過濾膜材料使用。

03

機械像素 耐用節能

蘭代爾夫特理工大學利用石墨烯泡沫色變效應可作為未來新型顯示技術的可能性選擇。通過「機械像素」最終可以使屏幕比當前的 LED 屏幕更靈活，耐用，節能。

研究人員在使用覆蓋石墨烯的氧化矽板過程中發現了這種現象：氧化矽板上有大約人類頭髮十倍寬的孔洞，而石墨烯則可以橫跨這些小孔。使用這些樣品時，研究人員注意到隨著石墨烯的氣泡隨著膨脹和收縮會改變顏色。當壓力變化時，氣泡變成凹狀或凸狀，從而改變光線折射角度，讓氣泡產生不同的顏色。

04

助推火箭燃燒速率提升9倍

普渡大學研究人員開發使用石墨烯泡沫作為推進劑配方，可以顯著改善添加劑的燃燒速率和可重複使用性。

研究小組開發了製造和使用固體燃料的組合物的方法，將固體燃料負載在高導電性、多孔結構的石墨烯泡沫上，以提高負載固體燃料的燃燒速率。測試表明，使用功能化的石墨烯泡沫結構，燃燒速率提高了9倍。

石墨烯泡沫具有超輕質和高度多孔性，意味著可以在這些孔中倒入燃料來幫助點燃火箭發射。石墨烯泡沫結構在高溫下也表現一定的熱穩定。具有的3D互連結構和更有效的熱傳輸路徑，可以使熱量更快速的擴散並點燃推進劑。

這種石墨烯泡沫可應用飛彈防禦系統、太空飛行器、火箭、超音速以及特定製納米材料領域。

05

電導率達到極大

在傳統泡沫材料中，電學性能通常不是最關鍵的性能。但是，三維石墨烯泡沫材料則截然不同，繼承了單層石墨烯卓越的電學性能，為理論研究提供方向，突破了在功能器件方面的創新應用。

中科院力學研究所研究員提出了一種理論框架，系統研究了三維石墨烯泡沫的導電性能，並在該體系中發現了電導率極大現象，即隨石墨烯薄片層數的增加，電導率先增大後減。該工作為優化三維石墨烯泡沫材料的導電性能提供了理論基礎，並將促進該材料在功能器件方面的應用。

圖1.理論框架。(a)第一級：研究石墨烯薄片間的電導。（b）第二級:提取平均接觸面積、平均接觸點密度等幾何特徵。(c) 理論計算結果表明存在電導率極大現象。

圖2. 外載作用下，三維石墨烯泡沫材料的電阻變化規律。（a）不同應變下，三維石墨烯泡沫材料的結構演化。（b）電阻隨應變的變化。（c）循環加載下電阻的變化。（d）第七次循環加載下電阻隨應變的變化。

06

出色的電磁幹擾屏蔽材料

具有輕質和出色導電性的三維結構石墨烯泡沫是一種高效的電磁幹擾屏蔽材料，可用於管理日益嚴重的電磁汙染。

哈爾濱工業大學研究人員開發了這種導電性良好和互連多孔結構的石墨烯混合泡沫，將高導電性的二維Ti3C2Tx MXene納米片引入GO，然後通過冷凍乾燥和熱還原處理來製備輕質的MXene /石墨烯混合泡沫（MX-rGO）。可高效衰減電磁波，達到良好的屏蔽效果，並優與大多數電磁幹擾屏蔽材料（如以氧化石墨烯為前體製造的3D石墨烯）。在航空航天和下一代智能設備中具有潛在的應用前景。

圖1.MX-rGO泡沫合成示意圖

圖2.（a）厚度為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）厚度為1.5毫米的rGO泡沫和MX-rGO泡沫的SSE。（d）在12.4 GHz處厚度為1.5 mm的rGO泡沫和MX-rGO泡沫的T，A和R值，以及（e）總EMI SE（SE Total），微波吸收（SEA）和微波反射（SER）的比較。（f）電磁波跨MX-rGO泡沫傳遞的示意圖。

07

全能型太赫茲隱身材料

近年來隨著半導體技術和光電子技術的發展，尤其是超快雷射技術的發展，太赫茲技術得到了極大的發展。太赫茲技術被美國評為「改變未來世界的十大技術」之一，被日本列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首。

太赫茲波段覆蓋範圍廣，具有非常好的時間和空間解析度，能穿透非透明非極性材料，並且能量低，不會損壞被檢測物質，對大部分生物細胞也基本無害。由於太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，且具有很多其它波段不具備的性質和優點，使得它成為物理、化學、軍事、材料等多個領域關注的焦點。

有效隱身頻率範圍寬：不同熱處理溫度和厚度的石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射損耗

針對傳統隱身材料無法有效對抗太赫茲波探測的挑戰，南開大學研究人員提出了利用石墨烯泡沫作為太赫茲隱身材料的新思路。實驗有效證明：石墨烯泡沫在0.64 THz實現了28.6 dB的太赫茲吸收效率，其有效隱身頻段覆蓋了整個測試頻段，性能遠優於大多數的公開文獻。而且，三維石墨烯的比吸收性能(SATA)超過其他材料3000倍以上。石墨烯泡沫結構有效降低了材料的有效介電常數，使得太赫茲波在材料表面的反射率大大降低，能夠輕鬆進入材料的內部，太赫茲吸收效率高，有效隱身頻率範圍寬，適用太赫茲波入射角度廣。

圖：適用太赫茲波入射角度廣：不同入射角下石墨烯泡沫在0.1-1.2 THz下的反射損耗

現有的吸波材料只能對抗GHz頻段的雷達探測，新型太赫茲雷達將使最先進的隱身戰機和艦船無所遁形，三維石墨烯泡沫作為一種能夠對太赫茲波具有低反射、高吸收特性的材料，在未來的太空探測、軍事雷達、通信和民用檢測和探損中具有非常大的潛力。

08

高性能超寬譜光電探測器製備材料

光熱電效應是通過光誘導溫度變化從而引起的熱電轉換，高性能超寬譜光電探測器在生物成像、光通信、飛彈制導、遙感等諸多光電子系統中起著重要的作用。然而，由於太赫茲和微波區域的光子能量過低，無法激發傳統半導體(如矽)中的電荷躍遷，而利用單一器件很難實現由紫外到微波波段的超寬譜光電探測。

圖1：三維石墨烯材料性能表徵。

天津大學研究人員利用三維泡沫石墨烯，實現了紫外-太赫茲-微波超寬光譜探測，並製備了非對稱電極型光電器件——高性能，寬光譜光熱電探測器，為未來在室溫下工作的超寬帶、高靈敏度新型光電探測器研究提供理論基礎和技術支撐。

通過基本的材料表徵手段結果顯示，三維石墨烯泡沫由蜂窩網狀的石墨烯片構成，不僅繼承了單層石墨烯的優點，而且具有更強的光吸收能力、熱性能和長範圍的導電網絡結構。同時，吸收光譜顯示了由400 nm至1 mm範圍內的超寬光譜吸收特性（最高表現為103 A·W−1的高光響應度，43 ms的短響應時間和80Hz的-3db帶寬。）

圖2：三維石墨烯器件在532 nm雷射輻照下的光電特性

在此基礎上，利用光熱電理論模型以及變溫實驗充分討論了該器件的光熱電效應機制，定量地分析非對稱型電極光電器件的響應度比對稱型電極器件高出89%。

由此可見，三維石墨烯可作為未來製備高性能、超寬譜光電探測器的理想材料。

09

臨近絕對零度的極強伸縮性

絕對零度（零下273.15攝氏度）是熱力學的最低溫度，是宇宙內最低溫度。在絕對零度下，原子和分子擁有量子理論允許的最小能量。在人類已有的認知內，由於絕對零度下，任何能量都應消失殆盡，任何堅硬的物質都可以像玻璃一樣瞬間摔碎。但，石墨烯泡沫創造了奇蹟。

南開和萊斯大學的研究人員發現，利用3D交聯石墨烯泡沫在接近絕對零度的溫度下依舊可以保持彈性。因此，研究人員使用他們開發的三維交聯石墨烯泡沫，使用自製的原位大應變力學分析系統研究了石墨烯泡沫在液氦中的力學性能。他們的系統可以連續監測從不會破壞真空密封條件下-270℃的深冷溫度到1000℃的高溫範圍內石墨烯泡沫材料變形狀態：在將石墨烯泡沫壓縮到原始尺寸的十分之一後，泡沫幾乎回彈到原來的形狀。泡沫在高溫下的表現良好。當加熱到1000℃時，泡沫在壓縮測試中的表現幾乎和在室溫下一樣好。它們具有非凡的機械性能、柔韌性和非凡的熱穩定性。

與室溫相比，液態氦中石墨烯泡沫的機械性能幾乎沒有差異，包括高達90%應變的幾乎完全可逆的超彈性行為(在壓縮到其原始厚度的十分之一後)、不變的楊氏模量、接近零的泊松比和極大的循環穩定性。

這的結果著實讓人們印象深刻。許多行業都需要能夠在低溫下對力做出彈性響應的材料，當暴露在極低溫度時，幾乎所有材料都變得更脆和更硬，從而導致強度下降。研究人員一直在尋找一種在極端溫度下被壓扁後會回彈的新材料，石墨烯泡沫滿足了他們的研究需求。這類石墨烯泡沫材料可應用於醫療、石油和天然氣、基地考察、深海作業以及航天以及太空探索領域。

10

石墨烯泡沫作為器官再生的新用途

博伊西州立大學研究小組在美國化學學會期刊上發布了一篇《石墨烯泡沫作為器官再生的新用途》，主要研究了石墨烯泡沫在肌肉組織中的應用，研究結果表明石墨烯泡沫，非常適宜作為生長官能肌肉組織的支架材料。最終，研究人員把石墨烯和石墨烯泡沫的獨特性能，用在人體器官再生上。

過去的研究已經證實了可以在石墨烯泡沫上生長骨和軟骨，但這只是石墨烯泡沫與肌肉生長相容性的第一歩研究。該團隊小組人員表示：」我們不僅證明石墨烯泡沫可以增強 成肌幹細胞的分化，而且我們把石墨烯泡沫作為電極，使用電極刺激肌肉，可以看到細胞的運動和在石墨烯泡沫上的肌肉的收縮。

在中國組織工程研究出版的《石墨烯生物應用》中，進一步證實了化學氣相沉澱方法製備三維石墨烯泡沫的細胞兼容性。細胞測試結果表明，與學氣相沉澱方法製備的單層或者少層石墨烯薄膜細胞培養襯底相比，神經幹細胞在石墨烯泡沫同樣附著性好、活性高、但由於多孔結構具有更大的比表面積、更加有利於養分的傳輸和新陳代謝的排洩，因此更加有助於幹細胞的增殖。三維多孔結構更加有利於神經系的形成，可用於開發新型生物活性支架材料在組織工程和再生醫學領域的應用研究。

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極大提升用太陽能-熱能轉換效率

如何實現高效的太陽能-熱能轉化是有效利用太陽能的關鍵問題。北京大學研究人員製備了多級結構石墨烯泡沫，極大提升了太陽能-熱能轉換效率，實現高效光熱轉化材料的設計探索。

圖：多級石墨烯泡沫的結構和可控生長

北京大學研究人員通過等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）製備的具有連續孔隙的多級結構石墨烯泡沫（h-G泡沫），特點在於多孔的三維石墨烯泡沫骨架上構築了垂直石墨烯納米片陣列結構。在光學上，這種結構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，該性質有利於材料在真實自然環境下的光熱轉化應用。作為光熱轉換材料，多級結構石墨烯泡沫可以實現約93.4％太陽能-熱能轉換效率。

此外，多級結構石墨烯泡沫由於具有優異的抗腐蝕性能且質量較輕，因而適用於可攜式光熱轉換應用，例如汙水處理和海水淡化。其中，海水淡化應用的太陽蒸氣轉化效率超過90％，超過了大部分已有的光熱轉換材料，且具有良好的耐久性和循環使用性能。

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石墨烯生物泡沫：簡便、廉價淨化水

華盛頓大學的程師們研發出一種利用太陽能淨化水的石墨烯生物泡沫，其結構非常簡單，石墨烯生物泡沫淨化水的過程就像海綿吸水的過程一樣，將水蒸發到上層，將雜質留下，收集可以飲用的新鮮水。這種石墨烯生物泡沫的生產成本低，適用於批量成產，對於一些水資源匱乏而光照好的國家帶來了福音。

這種薄膜是由細菌產生的兩層納米纖維構成的生物膜。其中下層含有原始纖維素，上層含有可以吸收太陽能產生熱量的氧化石墨烯。石墨烯生物泡沫淨化水的過程就像海綿吸水的過程，將水蒸發到上層，將雜質留下，於是可以飲用的新鮮水便被留在了上層中。研究人員指出，這種材料質量輕、成本低，適合大量生產，儘管結構簡單，但石墨烯泡沫材料形成一種無需能量和管道的水淨化系統。纖維素可以大批量生產，氧化石墨烯薄片非常的便宜，可以成噸的生產。

生物泡沫的生產系統也包括其他納米結構的物質，可以用來殺菌、淨化水，保障飲用水的安全。對於那些缺水而光照好的國家，可以使用這款石墨烯泡沫材料對髒水進行蒸發淨化得到新鮮的飲用水。

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柔性電池和超級電容器製備材料

Graphene 3D Lab公司推出了一款石墨烯柔性泡沫。由導電彈性複合材料與超輕的石墨烯泡沫（一種高導電性的3D化學氣相沉積）混合而成的一種多層獨立式結構。作為一種柔性泡沫，它同時具備質輕和可重構兩大優點。同時它還是一種多孔結構，所以使用和操作都很輕鬆。

石墨烯柔性泡沫是製造鋰離子電池電極的最佳基礎候選材料。當電子元件、傳感器和導電設備都能以柔性可穿戴材料製成，可穿戴電子產品就將成為必然。這種新型材料在接下來幾代柔性電池和超級電容器的開發上是很有前景的，另外，這種新材料還能作為許多有機合成反應的催化劑載體，或是用於氣體傳感器、柔性與超聲波聲學設備製造的能量存儲。

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治癒關節疼痛

石墨烯與幹細胞生物的結合可能將來會出現針對骨關節炎的新療法，影響全球數百萬人的骨關節炎是最常患的關節炎。

美國博伊西州立大學的研究人員發表了名為「具有機械性能的石墨烯泡沫複合組織材料」的新研究。石墨烯泡沫與軟骨組織工程的軟骨細胞系相容，這是第一項關注工程組織的粘彈性行為以測試生長軟骨功能的研究。在生物醫學用途具有其他潛在的廣泛優勢，包括軍事人員面臨的健康風險和傷害。

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探測爆炸物

倫斯勒理工學院的研究人員使用石墨烯泡沫研製出了這種郵票大小的新型傳感器。他們將石墨烯單層碳原子種植在泡沫鎳結構上，隨後移除泡沫鎳，留下一個類似泡沫的石墨烯結構，其具有獨特的電性，能夠用於執行傳感任務。

當將其暴露於空氣中時，空氣中的粒子會被吸收到泡沫表面，而且每個這樣的粒子會用不同的方式影響石墨烯泡沫，對其電阻進行微小的改動。讓電流通過其中並且測量電阻的變化，就能知道泡沫上依附的是什麼粒子。研究人員讓大約100毫安的電流通過該泡沫，結果發現，這種石墨烯泡沫能夠導致粒子解吸。

研究人員對傳感器進行了微調，讓其來探測氨水（自製爆炸物硝酸氨的關鍵成分），該石墨烯泡沫傳感器在5分鐘到10分鐘內就設法探測到了這種富有攻擊性的粒子，而且效率是現有市面上最好探測器的10倍。研究人員接著用其來探測有毒氣體二氧化氮（爆炸物分解的時候也會釋放出這種氣體），結果表明，其效率也是目前商用傳感器的10倍。在不遠的未來，研究人員能在此基礎上研製出更優異的炸彈探測器和環境傳感器。

石墨烯泡沫可探測低濃度爆炸物，有一天可能成為拆彈對攜帶的工具包中的標配。

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三維結構電極材料

美國萊斯大學研究人員製備了三維結構的鋼筋石墨烯泡沫。該材料可以承載超過其自身重量3150倍的物體，即使當支撐的重量超過其自身重量8500倍時，也僅有25%的結構會發生永久性變形。相比之下，此前曾有團隊製備的沒有碳納米管強化的石墨烯泡沫支撐物體的重量僅為其自身重量的150倍。

該研究團隊測試了「鋼筋石墨烯」泡沫作為鋰離子電容器中的高度多孔的導電電極，發現其在機械和化學性能上都是穩定的。這也意味著該鋼筋石墨烯泡沫材料有希望作為三維結構的電極，應用在比如鋰離子電池和鋰空氣電池等相關產品中。

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聚氨酯石墨烯泡沫的應用

石墨烯聚氨酯功能性複合發泡材料成為中外長期研究的熱點，並推動了石墨烯實際應用範圍。

聚氨酯泡沫材料本身普遍存在物理性能差、耐熱性差及複合材料存在填料用量多效果差等問題，很難實現材料的阻燃性和更加輕量化，已成為該領域發展的瓶頸。

圖：石墨烯改性常用方法

相比於傳統的納米填充材料，石墨烯具有更高的表面體積比及柔軟性、力學性能。石墨烯與聚氨酯泡沫混合物在材料結構、性能，尤其是特殊功能方面體現出的優異特性，可以提升聚氨酯的力學性能和熱穩定性。在此基礎上填充石墨、炭黑、碳納米管、納米粘土和無機納米粒，生產功能性複合泡沫材料，可在航天航空、汽車雷達吸收、電磁幹擾屏蔽、吸油劑、傳感器、防火、形狀記憶、生物醫學材料等方面廣泛應用。

2010年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在憑藉石墨烯拿到諾貝爾物理學獎後，無數人蜂擁而至，如今石墨烯泡沫及其相關研究在領域已被各路高手先佔山為王，一旦有新進展時，說不定在未來的某天可以祭出殺手鐧號令天下。作為一直以來高冷的超級材料，石墨烯泡沫正在慢慢從實驗室邁出第一步，至於量產化甚至商用，人們太期待又等不及。

就單單跳出石墨烯泡沫這一細分，擴展至石墨烯材料產業本身，要想實現規模化商業化應用，最大的難點除了技術研發上的突破外，還需要跨行業跨學科協同創新來完成。同時，石墨烯產品的產業落地應用，也需要上下遊企業密切配合，這些都是漫長而複雜的過程。

新材料之王的桂冠下，各路研究大俠仍肩負著越來越重的時代使命。