氧化石墨烯液晶的原理与应用概述

氧化石墨烯液晶的形成原理与应用概述一、液晶简述溶液是各向同性的就像一杯泡好的奇亚籽圆圆的球均匀分散在水中各个角度看上去都一样而液晶有一定有序排列就像是大海中的沙丁鱼群有一定有束光照射到液晶表面会分解为两束光而沿不同方向折射的现象该现象在正交偏光显微镜下可以观察到包括消光点或者其他形式的消光结构乃至颜色的差异等。液晶设备呈现出来的图案、色彩的变化都是由于这些有序结构发生了变化。二、氧化石墨烯液晶形成条件和类型对于一个球形分子来说，只要均匀稳定分散在水中，就一定是各向同性的。但是一旦这个球形分子的一个或者两个维度拉长出现明显的长宽比或者宽厚比分散均匀以后就很容易出现各向异性。单层氧化石墨烯的横向尺寸在微米级别，而厚度仅仅为一个纳米左右宽厚比极大同时表面具有丰富的含氧官能团例间存在氢键等，这些作用力促使单层氧化石墨烯片层有序排列。列（如图1的左图所示。直于这个平面上每一层都会旋转一个角度层层累加而形成螺旋面结（如1的右图所示。图1单层氧化石墨烯液晶形态。向列型（左）和胆甾型（右）三、偏振光原理液晶的这种微观有序结构一般难以通过肉眼直接观察到需要借助偏光显微镜，其原理如下。偏振片只允许振动方向与偏振片的偏振化方向平行的光透过。如果让两个偏振片的偏振化方向相互垂直光经过第一张偏振片后的振动方向与会看起来成黑色。如图2所示。图2偏振光原理四、双折射现象当在两张偏振片中间放置单层氧化石墨烯液晶后光经过第一张偏振片以后照射在单层氧化石墨烯液晶上，产生两束折射光，称为寻常光和成为非寻常光，正如图3所示。再经过体系当中其他单层氧化石墨烯晶区的多次折射改变方向最终部分光的振动方向与第二张偏正片的偏振化方向一致即可透过看起来也就不再是黑色的。图3双折射现象（图片来源于网络五、单层氧化石墨烯液晶的产生的颜色当浓度升高时向列型液晶转变为胆甾型液晶此时若所呈现的螺距与某一波长接近时会引起这个波长光的布拉格散射或者反射改变这一波长光的传播方向最后通过第二张偏振片后也就呈现这一波长光的色彩从而观察到黄橙、紫红甚至蓝、绿等颜色。图4不同颜色液晶现象图被破坏看到的图案也就发生了变化扰动停止以后单层氧化石墨烯片层慢从无序状态向有序结构过渡开始观察到亮点这些亮点可以看做是有序结构的案也就从图5的左图过渡到右图，直至稳定。图5扰动停止后，单层氧化石墨烯液晶演变过六、影响氧化石墨烯液晶形成方面（1尺寸分布氧化石墨烯液晶的取向熵与排除体积熵之间存在竞争关系使得氧化石墨烯的尺寸及其分布成为影响氧化石墨烯液晶相结构的关键因素；（2）氧化程度氧化程度高的氧化石墨烯表面上含有大量的含氧官能团，促进了氧化石墨烯片的自组装排列，并且氧化石墨烯之间的二次相互作用增强，降低了氧化石墨烯分散体从各向同性相向双相转变以及再向向列相转变的临界浓度，促进了氧化石墨烯液晶的形成；（3）浓度各向异性粒子的胶体在较低浓度下表现出各向同性相，但是随着粒子浓度的增加而转变成具有各向同性相和向列相的双相混合物最终在超过临界浓度后完全演变为纯向列相（图6、图7（（；图6随着浓度的增加，氧化石墨烯分散的各向同性向向列相转变示意图[1]（4）溶剂的极性氧化石墨烯分散在相对静态介电常数较高的水溶剂中，在较低的浓度和较小的尺寸下就会形成向列相氧化石墨烯液晶是通过与水分（质子溶剂）形成的氢键和带有负电荷羧酸基团的氧化石墨烯片间的静电排斥在）图C是不同样品中氧化石墨烯液晶的偏光显微图与厚度和浓度的函数关系；（5）溶液的H值氧化石墨烯薄片边缘上的带电基团主要是羧基，基面液H可以对氧化石墨烯表面进行质子化或去质子化，因此改变溶液的H会改变氧化石墨烯液晶相结构（图；图7（）不同氧化度的氧化石墨烯，在不同H值下的浓度和向列相的体积分数的关系）相行为和浓度的关系（C）在不同溶剂中氧化石墨烯液晶的偏光显微图与厚度和浓度的函数关系（）H分别为2、6和9时氧化石墨烯浓度和向列相体积分数函数关系（）氧化石墨烯水相分散液的浓度l浓度相关的液晶相图（6）外加剂氧化石墨烯水分散体的主要作用是内在的静电排斥力，向氧化石墨烯液晶体系中添加盐等会削弱这种排斥力从而引发氧化石墨烯液晶相相变（图E。当实验过程中因为上述影响因素可能会导致形成不了氧化石墨烯液晶和有液晶相的氧化石墨烯在诸多方面存在着差距和区别比如在直观的感受上偏光显微镜和正交偏光下有液晶性的氧化石墨烯有丰富的色彩和光学变化相反无液晶性的氧化石墨烯呈现出黑的状态汤慕尧等人报道了有无液晶性的氧化石墨烯之间的差异性研究，正如图8实验结果表明，通过D测试计算出相应的层间距可以发现有液晶性的氧化石墨烯的层间距比无液晶性的氧化石墨烯要大可能是因为氧化程度更高含氧官能团的插层作用影响更大较高的氧化程度利于液晶性的出现Raman数据也表明了这一点，有液晶性的氧化石墨烯的/G强度比值比无液晶性的氧化石墨烯要大说明缺陷程度更大有液晶性的氧化石墨烯与无液晶的氧化石墨烯在1637m1出现了更明显的水分子变形振动吸收峰，说明有液晶性的氧化石墨烯要比无液晶性的氧化石墨烯在水中的分散性和稳定性更佳利于液晶性显现黏度图上展现的是有液晶性的氧化石墨烯溶液的起始粘度高于无液晶性的氧化石墨烯且在低剪切速率段的下降速度高于无液晶性的氧化石墨烯可能是因为具有液晶性的氧化石墨烯更容易趋向于定向排序导致粘度随剪切速率增大而下降的速度更快。图8有液晶性A和无液晶性B的氧化石墨烯的（、Raman（、（C、黏度）数据图[8]七、形成液晶现象的氧化石墨烯所具备的条件通过上述对液晶现象的介绍氧化石墨烯需要极大的长宽比或者宽厚比横向尺寸在微米级别而厚度仅仅为一个纳米左右宽厚比极大在溶剂中的分散性要好，同时表面具有丰富的含氧官能团，杂质要少。高烯®单层氧化石墨烯，获釜量产单层氧化石墨烯（十吨级生产线，全链条知识产权，具有全单层品质，均一分散性能优异是形成丰富多彩的氧化石墨烯液晶的绝佳材料拥有着如下八大特征和优势：a.全单层于99，是全球首家也是目前唯一一家获得国际石墨烯产品认证中（C认证的单层氧化石墨烯生产企业；b.大尺寸可生产大尺（平均尺寸0微米氧化石墨烯，尺寸可调控，且尺寸分布较窄，适合作为研究试剂；.超纯度，其中的金属离子含量极低，可达到电子级；d.高溶解度（0，可以直接纺丝成纤维、刮涂成膜或冷冻干燥成气凝胶；.明亮液晶态，在1mg/g左右的较低浓度下即可形成液晶，在偏光显微镜下可观察到亮丽多彩的液晶织构；f.连续可纺性浆料整体质量达到纺丝级不加任何添加剂可直接进行湿法纺丝，制得连续纤维，技术属国际原创；g.上佳分散力可原位聚合制备多功能复合材料团聚少，性价比高；h.优异粉末再分散性，可提供粉末和浆料两种产品，粉末可在水和极性有机溶剂中再分散成单层结构。八、氧化石墨烯液晶现象的应用方面（1）石墨烯纤维石墨烯纤维是由单片石墨烯沿轴向紧密有序排列而成的一维连续组装材料。石墨烯不可熔融加工因此石墨烯纤维的制备只能采用基于液相的方法1年，高超课题组首次观察到氧化石墨烯的溶致液晶行为为石墨烯的液相有序化和固相有序化材料的制备奠定了基础。石墨烯纤维在柔性超级电容器、纤维状电池、智能传感、功能织物、催化等领域具有广泛的应用潜力。（2）石墨烯薄膜二维石墨烯宏观膜材料大都通过溶液液晶湿法组装而成单层氧化石墨烯的大规模生产对石墨烯组装材料的发展起到了巨大的推动作用单层氧化石墨烯的相对平整的二维平面结构巨大的宽厚比和层间的多重相互作用在外力的作用下最终组装成宏观薄膜材料石墨烯薄膜有着良好的力学强度电传输性能热传导能力和磁学性能等。在锂离子电极材料、导热材料、气体阻隔、分离材料、电热材料、超级电容器、纳滤膜、驱动器等领域有着巨大的应用潜力。单层氧化石墨烯是石墨烯重要的衍生物之一拥有着众多优异性能片层分子具有原子级厚度与大的横向尺寸，具有着极强的结构不对称性。在良溶剂中，均匀分散的石墨烯在临界浓度之上可以自组织形成液晶结构在临界浓度之下则表现为无序结构通过选择适当的溶剂调节表面官能团相互之间的作用及静电屏蔽作用等手段可以调节分散液的有序组织结通过组装方法的选择可以将石墨烯以自身组装形成庞杂的石墨烯组装体系可以组装形成纤维薄膜气凝胶、花、卷等材料，扩宽石墨烯的应用场景和领域。参考文献[1]SuchithraPadmajanSasikala,JoonwonLim,InHoKim,HongJuJung,TaeyeongYun,TaeHeeHan,SangOukKim.GrapheneOxideLiquidCrystals:AFrontier2DSoftMaterialForGraphene-BasedFunctionalMaterials.Chem.Soc.Rev.2018,47,6013-6045.[2]n,o.sdsfe.So5,2908-2915.[3]杨绍斌籍遥函沈丁.氧化石墨烯液晶相结构的调控及应用进展.化学进展2019,38,1443-1451.[4]JunYoungOh,JisooPark,YoChanJeong,JaeHoKim,SeungJaeYang,Chonge.ysfeendln.....,[5]a,NatnaelBehabtu,AngelMartinez,JulianS.,y.,JamesM.,oPasquali,n..dsof,tee.tr,,[6]ShakhawanAl-Zangana1,a,l,IngoDierking.ConfinementEffectsonLyotropicNematicLiquidCrystalPhasesofeeDispersions.Ds2017,4,041004.[7]RachelTkacz,RudolfOldenbourg,ShalinB．Mehta,MortezaMiansari,AmitabhVerm