導語：
2018年5月7日，《美國科學院院刊》在線刊登了我校化學學院程群峰教授、江雷院士團隊及其合作者的最新研究成果“有序交聯(lián)的超強韌高導電石墨烯薄膜（Sequentiallybridgedgraphene sheets with high strength, toughness, and electricalconductivity）”，程群峰教授和生物醫(yī)學工程高精尖中心首席科學家美國工程院院士RayH. Baughman教授為共同通訊作者，北航2014級直博生萬思杰為第一作者。
背景：材料應用新紀元
2004年，英國曼徹斯特大學科學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫制成了世界上最薄、強度最高的材料石墨烯。6年后，兩位科學家因在石墨烯研究方面的卓越成就而被授予諾貝爾物理學獎，進一步將石墨烯推向了科學界研究的熱點領域。
自2010年起，程群峰教授及課題組便將研究目光匯聚于此，立足院校特色，引領學術(shù)前沿，產(chǎn)生了將這種輕質(zhì)高強的新材料應用于航天領域的構(gòu)想。他們認為，新型石墨烯材料研究前景廣闊，能夠滿足下一代無人機、小型機對材料性能的需求，是具有長足戰(zhàn)略眼光的研究選擇。
此后，程群峰教授課題組長期致力于仿生多功能石墨烯納米復合材料的研究，取得了一系列原創(chuàng)性研究成果。傳統(tǒng)碳纖維復合材料的制備需要高溫高壓，但新材料可在45℃以下的室溫進行組裝構(gòu)筑，其強度與碳纖維復合材料相當，成本更加低廉，易實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模化制備。
仿生：天然貝類的啟發(fā)
大自然是最為精妙而富有想象力的工程師，它構(gòu)筑的生命體結(jié)構(gòu)可以為人們創(chuàng)造新型材料提供諸多靈感。在眾多可用于仿生的結(jié)構(gòu)中，鮑魚殼因其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學性能引起了程教授課題組的注意。自然界的鮑魚殼五顏六色，是由于其層狀有序的結(jié)構(gòu)——無機碳酸鈣和有機蛋白質(zhì)以層層交替的形式組裝成為了一個整體。這種微納米多級層狀結(jié)構(gòu)不僅賦予了鮑魚殼美麗的外觀，還賦予了鮑魚殼優(yōu)異的力學性能，在具有很高力學強度的同時也大幅度提高了斷裂韌性，實現(xiàn)了力學強度和韌性的完美統(tǒng)一。
受鮑魚殼有機—無機層層微納米組裝結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，程群峰教授課題組采用氧化石墨烯與有機分子構(gòu)筑了層狀結(jié)構(gòu)的復合材料。采用化學方法處理天然礦物石墨粉，即可獲得氧化石墨烯，成本相當?shù)土?/p>
在前期仿生界面組裝的研究基礎上，程群峰教授課題組進一步開發(fā)了室溫π-π共軛鍵和共價鍵有序交聯(lián)策略，為制備高性能石墨烯納米復合材料提供了重要的理論指導。更重要的是，該石墨烯復合薄膜不僅拉伸強度可以與成本較高的準各項同性的商用碳纖維復合材料相媲美，而且韌性遠遠優(yōu)于后者。同時，這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復合薄膜還具有高導電性能，高電磁屏蔽性能以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和疲勞性能。這種廉價低溫有序交聯(lián)的高性能多功能石墨烯納米復合材料在航空、航天、汽車、柔性電子器件等領域具有廣泛的應用前景。
圖1. 有序交聯(lián)石墨烯薄膜的制備過程(A-B)及照片(C)和橫截斷面微觀形貌(D-E)
圖2. 有序交聯(lián)石墨烯薄膜的力學(A)和電磁屏蔽效能(B)，以及原位拉曼光譜表征(C-F)
拓展：深度探究與合作
在談到研究取得的成果時，程群峰教授強調(diào)了團隊合作的重要性。他認為，團隊的活力和創(chuàng)造力，基于每一名成員自發(fā)主動的貢獻；團隊的凝聚力和動力，則依賴師生之間的良好互動和默契配合。課題組的同學們在老師的指導下明確分工，在保證各自獨立的情況下又積極溝通交流，齊頭并進，形成了良好的合作機制，向著共同的研究方向不斷努力。程教授表示，學術(shù)研究的過程就像采掘?qū)毷挥胁粩嗌钊耄粩嗤诰颍拍艿玫绞斋@。因此，在確立科研方向后，刻苦鉆研、甘于奉獻的科研精神也是科研人員不可缺少的素質(zhì)。
下一階段，程教授將帶領課題組深入研究，從宏觀的平均層面轉(zhuǎn)至單層微觀層面，進一步闡釋仿生復合材料界面的增強增韌機理。同時，進行大量實驗驗證，尋找新的突破，繼續(xù)著力提高新型薄膜材料的性能，并將成果轉(zhuǎn)化為實際應用。
圖3. 實驗室一覽
圖4. 程群峰教授（中）和他的團隊（部分）
結(jié)語：
新的技術(shù)和方法往往能帶動相關產(chǎn)業(yè)的革新，超強韌高導電石墨烯薄膜可在室溫條件下以較低成本制備，有望最終取代飛機、汽車等設備使用的碳纖維復合材料，并且可以廣泛應用于柔性電子器件等領域，市場潛力巨大。雖然已經(jīng)取得了一定成果，但程群峰教授及課題組的研究不會止步于此。在北航建設世界一流大學的征程中，我們也期待有更多創(chuàng)新人才的涌現(xiàn)。
文案：金睿、曾嘉琪
采訪：曾嘉琪、熊婷
設計：楊智涵
編審：北航門戶網(wǎng)站總編總監(jiān)工作室
投稿：geoos@buaa.edu.cn
