該研究從提升組裝單元表面粗糙度角度出發(fā)(增加次級結(jié)構(gòu)),通過原位引入聚多巴胺衍生氮摻雜碳作為阻力增強劑、粘結(jié)劑與導電“橋梁”,獲得了多級尺度結(jié)構(gòu)的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼復合纖維,展現(xiàn)了卓越的拉伸強度(-724MPa)和導電性(-6.6×104Sm-1),該指標遠高于之前文獻報道的類似仿貝殼石墨烯基纖維的相關(guān)性能。
通過原子力顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)聚多巴胺包覆石墨烯(GO@PDA)納米組裝單元表面散布有豐富的島狀顆粒,這種獨特的結(jié)構(gòu)為模擬和構(gòu)筑類珍珠母多級纖維結(jié)構(gòu)提供了可能。通掃描電鏡、軟X射線Nano CT表征可以發(fā)現(xiàn)由GO@PDA組裝成的宏觀尺度纖維由軸向取向、緊密堆積的層狀單元組成,纖維整體呈均勻的線狀。獲得的纖維經(jīng)切片處理后,經(jīng)高分辨電子顯微鏡表征可以發(fā)現(xiàn)在宏觀RGO@PDA纖維內(nèi)部的組裝單元(RGO@PDA)表面依然散布有大量的島狀顆粒,證實了表面粗糙的RCO@PDA獨特的次級納米結(jié)構(gòu)依然可以在纖維中維持。
這種多尺度仿生設(shè)計顯著提高了RGO@PDA纖維機械強度和電導性。力學性能測試顯示,隨著退火溫度的提升,RGO@PDA和RGO纖維的機械強度和導電性均逐步提升,并且RCO@PDA纖維的機械強度和導電性遠高于RGO纖維。優(yōu)化獲得的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿貝殼復合纖維展現(xiàn)了卓越的拉伸強度和導電性。這些優(yōu)異的綜合性能為石墨烯基纖維進一步拓展在柔性、可穿戴微器件(傳感器、驅(qū)動器、超級電容器、電池等)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。