一种强度高且柔韧的氧化石墨烯纸，适用于湿度响应型折纸超材料

《Materials Horizons》：Strong and flexible graphene oxide paper for humidity responsive origami metamaterials

湿度响应石墨烯氧化物可折叠结构设计与制备

　　本研究聚焦于一种全新的材料设计理念，即利用折纸结构与石墨烯氧化物（GO）材料的湿度响应特性相结合，开发出具有可编程功能的宏观尺度GO折纸材料。这些材料不仅具备良好的机械性能，还能在湿度变化下实现可逆的变形，从而具备作为执行器的潜力。该研究的突破在于，通过一种高通量的制造方法，制备出既柔韧又坚固的GO纸张，使其适用于复杂的折纸结构，同时保留了材料的湿度响应特性。这项工作为下一代基于GO的智能材料和软体机器人提供了新的可能性。

GO作为一种具有广泛应用前景的二维材料，其独特的物理和化学性质使其成为构建响应型材料的理想选择。GO含有丰富的含氧官能团，如羟基、羧基和环氧基，这些基团能够与水分子形成氢键，从而赋予GO材料对湿度变化的高度敏感性。通过调控GO纸张的结构设计，研究人员能够实现其在不同方向上的变形，这种变形行为不仅依赖于材料本身的性质，还受到折纸结构的几何设计和机械特性的影响。因此，这项研究的核心在于如何通过结构设计和材料制备技术，实现GO材料在宏观尺度上的可控响应。

在GO纸张的制备过程中，研究团队采用了一种创新的方法，即将GO悬浮液滴铸在湿润的纤维素基底上。这一方法的关键在于，在GO纸张形成过程中，水分子被保留于GO片层之间，从而增强了纸张的柔韧性。相比于传统的真空过滤或湿纺技术，这种方法能够在不降低材料性能的前提下，实现大尺寸GO纸张的批量生产。纤维素基底的引入不仅有助于维持GO片层之间的水分，还通过其纤维结构对GO纸张起到一定的增强作用，使其在弯曲过程中不易发生断裂。这一发现为构建宏观尺度的折纸结构提供了坚实的材料基础。

GO纸张的机械性能对其能否成功用于折纸结构至关重要。通过实验，研究团队评估了不同制备方法下GO纸张的力学特性，包括断裂应变、柔韧性和强度。结果表明，采用蒸发法在湿润纤维素基底上制备的GO纸张（GO@C/E）表现出更高的断裂应变和柔韧性，而其强度则保持良好。相比之下，通过真空过滤制备的GO纸张（GO@PC/F）由于水分被快速去除，导致其结构更加紧密，但同时也降低了其柔韧性。这些发现为GO纸张在折纸结构中的应用提供了重要的指导，即在保持材料强度的同时，需要通过适当的水分保留策略来提升其柔韧性。

为了进一步验证水分在GO纸张柔韧性中的作用，研究团队还制备了一组经过乙醇擦拭处理的GO纸张（GO@C/E-wiped），以去除纤维素纤维的影响。实验结果显示，即使在去除纤维素纤维后，GO@C/E纸张的水分含量仍然显著高于其他制备方法得到的GO纸张，这表明水分的保留是提升其柔韧性的关键因素。通过分子动力学（MD）模拟，研究人员进一步确认了水分在GO片层之间的分布情况，并发现水分的增加会导致GO片层之间的距离（即d-间距）增大，从而增强材料的可变形能力。

基于这种材料特性，研究团队设计了多种基于折纸结构的GO材料，包括Miura-ori和Kresling两种典型的折纸图案。Miura-ori是一种由平行四边形单元组成的结构，具有高度的可折叠性和可展开性，适用于需要在不同湿度条件下进行变形的场景。而Kresling结构则因其独特的几何设计，能够实现单稳态或双稳态的变形行为，使其在湿度变化时具有记忆功能。通过调整这两种结构的几何参数，研究团队成功制备了能够在湿度变化下实现不同变形模式的GO折纸材料，这些材料不仅可以进行简单的弯曲或扭曲，还能实现多方向运动和变形记忆功能。

在实验测试中，研究团队发现，GO折纸材料在湿度变化时能够展现出显著的尺寸变化。例如，当相对湿度（RH）从34%增加到76%时，GO Miura-ori结构在x方向的长度会扩展至原始长度的191%，而在y方向的宽度则扩展至原始宽度的117%。相反，当湿度降低时，结构会逐渐恢复到原始尺寸。这种可逆的变形行为使得GO折纸材料能够被用作执行器，例如在湿度变化时展开或折叠，从而实现对环境的响应。此外，研究团队还开发了一种基于GO折纸的湿度信号装置，该装置能够通过LED灯的亮灭来指示当前湿度水平，并且具有记忆功能，能够在湿度降低后保持其状态一段时间。

这项研究不仅展示了GO材料在宏观尺度上的可变形潜力，还揭示了材料的化学性质和结构设计之间的相互作用。通过结合GO的湿度响应特性和折纸工程，研究团队成功构建了一种能够实现复杂变形行为的新型材料系统。这种材料的多稳态特性使其在环境变化时能够保持一定的状态记忆，为未来的智能材料和软体机器人提供了新的设计思路。同时，这种材料的可编程性也为实现更复杂的环境响应功能奠定了基础，例如通过多组GO折纸结构的协同作用，实现数字计算功能。

研究团队还指出，这种基于GO折纸的材料系统具有广泛的应用前景。由于GO材料的轻质、高表面积和良好的环境响应能力，其可作为可变形结构的基底，用于开发各种智能设备和软体机器人。此外，通过将GO材料与其他响应型材料（如磁性材料、光响应材料或压电材料）结合，可以进一步拓展其功能，使其能够对多种外部刺激作出反应。这种多响应性为构建多功能、自适应的材料系统提供了可能。

总的来说，这项研究为基于GO的响应型材料设计提供了一种全新的方法。通过结合折纸工程和GO材料的湿度响应特性，研究团队成功开发出一种能够在湿度变化下实现可逆变形的宏观结构，这种结构不仅具备良好的机械性能，还能够实现多方向运动和变形记忆功能。这种材料系统的成功制备和应用，为未来的智能材料和软体机器人设计开辟了新的研究方向，同时也为环境响应型执行器的开发提供了新的思路。