如果你覺得兩枚金戒指樣式老氣，可以到金店高溫熔化重新打一對，可是當(dāng)戒指熔化成金水后，你又后悔了怎么辦？還能要回之前的兩枚金戒指嗎？
答案是顯而易見的，即使重新打制的金戒指從外觀上看和之前的一模一樣，但內(nèi)在組成部分已經(jīng)打亂重新隨機(jī)分配過了，只能唱上一句：“早知如此，何必開始，我不是原來的我。”
對于普通材料來說，兩個物體一旦融合就難以復(fù)原，即便分開也不再是原來的兩個物體。然而，經(jīng)過4年的研究，浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系高超教授課題組發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯片具有適應(yīng)性形變的能力，氧化石墨烯纖維在宏觀尺度上能夠在融合之后實現(xiàn)精確可逆的分 裂，好比是自帶了一個“返回鍵”。這項成果將對未來精確可逆的組裝產(chǎn)生積極影響。
圖1 氧化石墨烯纖維精確可逆的融合與分裂示意圖
北京時間5月7日，這項成果被國際頂級期刊《科學(xué)》刊登。論文第一作者為浙江大學(xué)高分子系的博士生暢丹，論文共同通訊作者為浙江大學(xué)高超教授、李拯博士，西安交通大學(xué)劉益?zhèn)惤淌凇?/span>
論文官網(wǎng)截圖
精確可逆，就像孫悟空變化自如
《西游記》里的孫悟空神通廣大，一個讓人羨慕的本領(lǐng)就是“七十二變”。書里記載說：“妖王道：‘憑他變甚小的，我這里每一層門上，有四五個小妖把守，他怎生得入！’行者道：‘你是不知，他會變蒼蠅、蚊子、虼蚤，或是蜜蜂、蝴蝶并蟭蟟蟲等項，又會變我模樣，你卻那里認(rèn)得？’”好幾次面對妖怪的時候，孫悟空變成老虎、大樹、大山等，最后又重新變回原本的模樣。
當(dāng)然，這是神話故事里才有的奇跡。現(xiàn)實生活中，每一個固體單元都有自己的特定形狀和尺寸，多個固體融合在一起組裝成一個整體不難，但是結(jié)合越緊密往往分離就越難。因此無法通過分離再另外組裝成別的形式的整體。
早前，科學(xué)家從細(xì)胞的融合與分裂中獲得靈感，仿生設(shè)計了功能性的組裝體，比如聚合物囊泡在光或熱的刺激下，能夠?qū)崿F(xiàn)融合或?qū)崿F(xiàn)融合與分裂，希望可以應(yīng)用在藥物的遞送與釋放等領(lǐng)域，但是在融合與分裂的“可逆”這一環(huán)節(jié)遇到了阻礙。
“所謂精確可逆，就是物體的數(shù)量、尺寸、組分、結(jié)構(gòu)和性能等在一次融合-分裂循環(huán)之后可以恢復(fù)到原始狀態(tài)。但之前的研究因為在材料界面發(fā)生了不可逆的物理或化學(xué)變化，所以還沒有能夠做到精確可逆?！备叱f。
而高超課題組卻發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯纖維挑戰(zhàn)了人們的一般認(rèn)知，能夠在厘米級的宏觀尺度下，變形組裝并且解組裝復(fù)原。他們將13500根氧化石墨烯纖維做成的一根剛性柱子，變成一張節(jié)點融合的柔性網(wǎng)，把實驗過程顛倒過來后，網(wǎng)又重新變回了柱子。
圖2 融合柱與節(jié)點融合網(wǎng)之間可逆轉(zhuǎn)變的宏觀照片
這個過程當(dāng)中，組成柱子和網(wǎng)的氧化石墨烯纖維并沒有發(fā)生變化。“通過特定的處理方式，氧化石墨烯纖維融合得到的固體材料可以像孫悟空那樣，七十二變后再變回原本的樣子。也就說，我們這項研究實現(xiàn)了氧化石墨烯宏觀固體材料精確可逆的組裝?！?/span>
可逆奧秘，適應(yīng)性形變好比是“返回鍵”
為什么氧化石墨烯能做到精確可逆？這與材料本身的特性有關(guān)。高超課題組一直致力于石墨烯宏觀組裝的研究。早在2016年，課題組就發(fā)現(xiàn)，二維的氧化石墨烯片具有適應(yīng)性形變的特點，可以完成融合。之前他們就利用氧化石墨烯纖維的溶脹融合成了無紡布。
那么，氧化石墨烯纖維融合后還能再分裂嗎？
課題組繼續(xù)研究。他們發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯自身帶有特殊的性質(zhì)，即二維拓?fù)?、豐富的含氧官能團(tuán)、超柔性、自粘接，多根氧化石墨烯纖維融合后的粗纖維密度大、孔隙率少、界面結(jié)合適中，“這就使得材料的親和力剛剛好，能夠很容易地融合到一起，但結(jié)合力又不像鋼那樣強(qiáng)，所以還能分得開?！备叱f。
圖3 典型的氧化石墨烯纖維融合與分裂過程的掃描電鏡照片
實驗中，課題組先把13500根氧化石墨烯纖維融合成一根直徑1.2毫米的細(xì)長黑柱子，這些黑柱子可以承受680倍自身重量的力，然后把黑柱子放到水溶劑中解離再分裂，這時粗柱子就變成13500條纖維。暢丹說：“這個過程中，氧化石墨烯的體積膨脹率達(dá)到了近40倍，提供了充分的表面形變的空間?！?/span>
在溶劑中纖維變軟了，就可以拿出來編織成節(jié)點融合的網(wǎng)，而且這張網(wǎng)仍然保持了一定的強(qiáng)度，上面放輛玩具車完全沒有問題。也就是說這些纖維再融合之后依然能作為功能材料來使用。
在復(fù)原環(huán)節(jié)，課題組把這張網(wǎng)再放回水溶劑，網(wǎng)重新分解成13500條纖維，撈出來之后它們會自動融合在一起，最終又變回了之前的柱子形狀。
那怎么證明這13500條纖維還是原先的那13500條纖維呢？課題組通過熒光染料及硅納米顆粒彩色標(biāo)記的方式證明了每一條纖維的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，確實是“我是我”“他是他”，纖維里面的成分沒有在多次融合-分裂后互相“串門”。
穿上“馬甲”，這些材料也能72變
神奇的還不止這些。氧化石墨烯纖維的這種特殊屬性還能應(yīng)用到別的材料上。
課題組在研究中發(fā)現(xiàn)，如果在尼龍、蠶絲、不銹鋼絲、玻璃纖維等有機(jī)高分子、天然高分子、金屬、無機(jī)非金屬纖維的表面涂上一層氧化石墨烯，原有的這些普通材料也能夠具有“組裝-精確還原”的功能。
論文評審專家認(rèn)為：“該工作代表著可回收及智能纖維材料領(lǐng)域的一個突破。結(jié)果具有科學(xué)價值，可能引起跨多個研究領(lǐng)域的興趣?！?/span>
就此工作，日本長野大學(xué)Rodolfo Cruz-Silva和美國賓漢頓大學(xué)Ana Laura Elías在同期Science發(fā)文進(jìn)行了評論。
高超表示，相比于已有的研究，課題組此次完成的氧化石墨烯基纖維精確可逆的融合-分裂過程是可控的，而且材料尺寸大，對于固體在可逆組裝過程中界面的獨特現(xiàn)象、材料的有效回收和重復(fù)利用等方面具有啟發(fā)意義。
（文 吳雅蘭 柯溢能/攝影 盧紹慶 部分圖片由課題組提供）
