在傳統(tǒng)泡沫材料中，電學(xué)性能通常不是最關(guān)鍵的性能。但是，三維石墨烯泡沫材料則截然不同，電學(xué)性能對于該材料在功能器件方面的應(yīng)用尤為重要。事實(shí)上，合成三維石墨烯泡沫材料的一個重要目的就是為了繼承單層石墨烯卓越的電學(xué)性能。盡管實(shí)驗(yàn)上一直嘗試研究甚至改進(jìn)石墨烯泡沫材料的電學(xué)性能，但理論研究的缺乏制約了該方向的進(jìn)一步發(fā)展。這一尷尬局面主要源于石墨烯泡沫材料的復(fù)雜性，如石墨烯薄片的多重自由度（層數(shù)、尺寸）以及該問題的多尺度特性（涉及到電子德布羅意波長、石墨烯薄片尺度、石墨烯薄片相互接觸的特征尺度）。
近期，中國科學(xué)院力學(xué)研究所副研究員劉峰與王超合作提出了一種理論框架，系統(tǒng)研究了三維石墨烯泡沫的導(dǎo)電性能，并在該體系中發(fā)現(xiàn)了電導(dǎo)率極大現(xiàn)象。在該理論框架中，導(dǎo)電過程被分為兩個等級。第一級，即最底層，利用介觀輸運(yùn)理論結(jié)合緊束縛模型研究石墨烯薄片間的電導(dǎo)。第二級，通過分子動力學(xué)模擬研究三維石墨烯泡沫材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并提取平均接觸面積、平均接觸點(diǎn)密度等幾何特征。結(jié)合這兩方面信息即可理論計算石墨烯泡沫材料的電導(dǎo)及電導(dǎo)率。該研究發(fā)現(xiàn)石墨烯泡沫材料存在電導(dǎo)率極大現(xiàn)象（即隨石墨烯薄片層數(shù)的增加，電導(dǎo)率先增大后減小），并進(jìn)一步揭示了該現(xiàn)象的物理機(jī)制。
眾所周知，在傳統(tǒng)泡沫材料中，存在一個優(yōu)化泡沫密度使熱絕緣能力達(dá)到最強(qiáng)，這源于固體中熱傳導(dǎo)與熱輻射之間的競爭。而該研究首次在理論上提出存在一個優(yōu)化層數(shù)使三維石墨烯泡沫材料電導(dǎo)率達(dá)到最大，并對其物理機(jī)制進(jìn)行了系統(tǒng)研究。該工作為優(yōu)化三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能提供了理論基礎(chǔ)，并將促進(jìn)該材料在功能器件方面的應(yīng)用。
進(jìn)一步，該研究還分析了變形下三維石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能。在循環(huán)加載下，電阻的變化逐漸趨于穩(wěn)定，同時伴隨有滯回環(huán)的出現(xiàn)，這與實(shí)驗(yàn)觀測定性一致。由于大變形是泡沫材料的一個重要特性，研究大變形下石墨烯泡沫材料的導(dǎo)電性能對于應(yīng)變傳感、應(yīng)變調(diào)控等方面的實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Small上（F. Liu, C. Wang, Q. Tang, Conductivity Maximum in 3D Graphene Foams,Small 2018, 1801458）。該工作獲得國家自然科學(xué)基金、中科院B類先導(dǎo)項目的支持。
圖1.理論框架。(a)第一級：研究石墨烯薄片間的電導(dǎo)。（b）第二級:提取平均接觸面積、平均接觸點(diǎn)密度等幾何特征。(c) 理論計算結(jié)果表明存在電導(dǎo)率極大現(xiàn)象。
圖2. 外載作用下，三維石墨烯泡沫材料的電阻變化規(guī)律。（a）不同應(yīng)變下，三維石墨烯泡沫材料的結(jié)構(gòu)演化。（b）電阻隨應(yīng)變的變化。（c）循環(huán)加載下電阻的變化。（d）第七次循環(huán)加載下電阻隨應(yīng)變的變化。
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