氧化石墨烯液晶的形成原理與應(yīng)用概述一、液晶簡(jiǎn)述溶液是各向同性的就像一杯泡好的奇亞籽圓圓的球均勻分散在水中各個(gè)角度看上去都一樣而液晶有一定有序排列就像是大海中的沙丁魚群有一定有束光照射到液晶表面會(huì)分解為兩束光而沿不同方向折射的現(xiàn)象該現(xiàn)象在正交偏光顯微鏡下可以觀察到包括消光點(diǎn)或者其他形式的消光結(jié)構(gòu)乃至顏色的差異等。液晶設(shè)備呈現(xiàn)出來的圖案、色彩的變化都是由于這些有序結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。二、氧化石墨烯液晶形成條件和類型對(duì)于一個(gè)球形分子來說，只要均勻穩(wěn)定分散在水中，就一定是各向同性的。但是一旦這個(gè)球形分子的一個(gè)或者兩個(gè)維度拉長(zhǎng)出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)寬比或者寬厚比分散均勻以后就很容易出現(xiàn)各向異性。單層氧化石墨烯的橫向尺寸在微米級(jí)別，而厚度僅僅為一個(gè)納米左右寬厚比極大同時(shí)表面具有豐富的含氧官能團(tuán)例間存在氫鍵等，這些作用力促使單層氧化石墨烯片層有序排列。列（如圖1的左圖所示。直于這個(gè)平面上每一層都會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度層層累加而形成螺旋面結(jié)（如1的右圖所示。圖1單層氧化石墨烯液晶形態(tài)。向列型（左）和膽甾型（右）三、偏振光原理液晶的這種微觀有序結(jié)構(gòu)一般難以通過肉眼直接觀察到需要借助偏光顯微鏡，其原理如下。偏振片只允許振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向平行的光透過。如果讓兩個(gè)偏振片的偏振化方向相互垂直光經(jīng)過第一張偏振片后的振動(dòng)方向與會(huì)看起來成黑色。如圖2所示。圖2偏振光原理四、雙折射現(xiàn)象當(dāng)在兩張偏振片中間放置單層氧化石墨烯液晶后光經(jīng)過第一張偏振片以后照射在單層氧化石墨烯液晶上，產(chǎn)生兩束折射光，稱為尋常光和成為非尋常光，正如圖3所示。再經(jīng)過體系當(dāng)中其他單層氧化石墨烯晶區(qū)的多次折射改變方向最終部分光的振動(dòng)方向與第二張偏正片的偏振化方向一致即可透過看起來也就不再是黑色的。圖3雙折射現(xiàn)象（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)五、單層氧化石墨烯液晶的產(chǎn)生的顏色當(dāng)濃度升高時(shí)向列型液晶轉(zhuǎn)變?yōu)槟戠扌鸵壕Т藭r(shí)若所呈現(xiàn)的螺距與某一波長(zhǎng)接近時(shí)會(huì)引起這個(gè)波長(zhǎng)光的布拉格散射或者反射改變這一波長(zhǎng)光的傳播方向最后通過第二張偏振片后也就呈現(xiàn)這一波長(zhǎng)光的色彩從而觀察到黃橙、紫紅甚至藍(lán)、綠等顏色。圖4不同顏色液晶現(xiàn)象圖被破壞看到的圖案也就發(fā)生了變化擾動(dòng)停止以后單層氧化石墨烯片層慢從無序狀態(tài)向有序結(jié)構(gòu)過渡開始觀察到亮點(diǎn)這些亮點(diǎn)可以看做是有序結(jié)構(gòu)的案也就從圖5的左圖過渡到右圖，直至穩(wěn)定。圖5擾動(dòng)停止后，單層氧化石墨烯液晶演變過六、影響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與排除體積熵之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系使得氧化石墨烯的尺寸及其分布成為影響氧化石墨烯液晶相結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素；（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團(tuán)，促進(jìn)了氧化石墨烯片的自組裝排列，并且氧化石墨烯之間的二次相互作用增強(qiáng)，降低了氧化石墨烯分散體從各向同性相向雙相轉(zhuǎn)變以及再向向列相轉(zhuǎn)變的臨界濃度，促進(jìn)了氧化石墨烯液晶的形成；（3）濃度各向異性粒子的膠體在較低濃度下表現(xiàn)出各向同性相，但是隨著粒子濃度的增加而轉(zhuǎn)變成具有各向同性相和向列相的雙相混合物最終在超過臨界濃度后完全演變?yōu)榧兿蛄邢啵▓D6、圖7（（；圖6隨著濃度的增加，氧化石墨烯分散的各向同性向向列相轉(zhuǎn)變示意圖[1]（4）溶劑的極性氧化石墨烯分散在相對(duì)靜態(tài)介電常數(shù)較高的水溶劑中，在較低的濃度和較小的尺寸下就會(huì)形成向列相氧化石墨烯液晶是通過與水分（質(zhì)子溶劑）形成的氫鍵和帶有負(fù)電荷羧酸基團(tuán)的氧化石墨烯片間的靜電排斥在）圖C是不同樣品中氧化石墨烯液晶的偏光顯微圖與厚度和濃度的函數(shù)關(guān)系；（5）溶液的H值氧化石墨烯薄片邊緣上的帶電基團(tuán)主要是羧基，基面液H可以對(duì)氧化石墨烯表面進(jìn)行質(zhì)子化或去質(zhì)子化，因此改變?nèi)芤旱腍會(huì)改變氧化石墨烯液晶相結(jié)構(gòu)（圖；圖7（）不同氧化度的氧化石墨烯，在不同H值下的濃度和向列相的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系）相行為和濃度的關(guān)系（C）在不同溶劑中氧化石墨烯液晶的偏光顯微圖與厚度和濃度的函數(shù)關(guān)系（）H分別為2、6和9時(shí)氧化石墨烯濃度和向列相體積分?jǐn)?shù)函數(shù)關(guān)系（）氧化石墨烯水相分散液的濃度l濃度相關(guān)的液晶相圖（6）外加劑氧化石墨烯水分散體的主要作用是內(nèi)在的靜電排斥力，向氧化石墨烯液晶體系中添加鹽等會(huì)削弱這種排斥力從而引發(fā)氧化石墨烯液晶相相變（圖E。當(dāng)實(shí)驗(yàn)過程中因?yàn)樯鲜鲇绊懸蛩乜赡軙?huì)導(dǎo)致形成不了氧化石墨烯液晶和有液晶相的氧化石墨烯在諸多方面存在著差距和區(qū)別比如在直觀的感受上偏光顯微鏡和正交偏光下有液晶性的氧化石墨烯有豐富的色彩和光學(xué)變化相反無液晶性的氧化石墨烯呈現(xiàn)出黑的狀態(tài)湯慕堯等人報(bào)道了有無液晶性的氧化石墨烯之間的差異性研究，正如圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過D測(cè)試計(jì)算出相應(yīng)的層間距可以發(fā)現(xiàn)有液晶性的氧化石墨烯的層間距比無液晶性的氧化石墨烯要大可能是因?yàn)檠趸潭雀吆豕倌軋F(tuán)的插層作用影響更大較高的氧化程度利于液晶性的出現(xiàn)Raman數(shù)據(jù)也表明了這一點(diǎn)，有液晶性的氧化石墨烯的/G強(qiáng)度比值比無液晶性的氧化石墨烯要大說明缺陷程度更大有液晶性的氧化石墨烯與無液晶的氧化石墨烯在1637m1出現(xiàn)了更明顯的水分子變形振動(dòng)吸收峰，說明有液晶性的氧化石墨烯要比無液晶性的氧化石墨烯在水中的分散性和穩(wěn)定性更佳利于液晶性顯現(xiàn)黏度圖上展現(xiàn)的是有液晶性的氧化石墨烯溶液的起始粘度高于無液晶性的氧化石墨烯且在低剪切速率段的下降速度高于無液晶性的氧化石墨烯可能是因?yàn)榫哂幸壕缘难趸└菀宗呄蛴诙ㄏ蚺判驅(qū)е抡扯入S剪切速率增大而下降的速度更快。圖8有液晶性A和無液晶性B的氧化石墨烯的（、Raman（、（C、黏度）數(shù)據(jù)圖[8]七、形成液晶現(xiàn)象的氧化石墨烯所具備的條件通過上述對(duì)液晶現(xiàn)象的介紹氧化石墨烯需要極大的長(zhǎng)寬比或者寬厚比橫向尺寸在微米級(jí)別而厚度僅僅為一個(gè)納米左右寬厚比極大在溶劑中的分散性要好，同時(shí)表面具有豐富的含氧官能團(tuán)，雜質(zhì)要少。高烯?單層氧化石墨烯，獲釜量產(chǎn)單層氧化石墨烯（十噸級(jí)生產(chǎn)線，全鏈條知識(shí)產(chǎn)權(quán)，具有全單層品質(zhì)，均一分散性能優(yōu)異是形成豐富多彩的氧化石墨烯液晶的絕佳材料擁有著如下八大特征和優(yōu)勢(shì)：a.全單層于99，是全球首家也是目前唯一一家獲得國(guó)際石墨烯產(chǎn)品認(rèn)證中（C認(rèn)證的單層氧化石墨烯生產(chǎn)企業(yè)；b.大尺寸可生產(chǎn)大尺（平均尺寸0微米氧化石墨烯，尺寸可調(diào)控，且尺寸分布較窄，適合作為研究試劑；.超純度，其中的金屬離子含量極低，可達(dá)到電子級(jí)；d.高溶解度（0，可以直接紡絲成纖維、刮涂成膜或冷凍干燥成氣凝膠；.明亮液晶態(tài)，在1mg/g左右的較低濃度下即可形成液晶，在偏光顯微鏡下可觀察到亮麗多彩的液晶織構(gòu)；f.連續(xù)可紡性漿料整體質(zhì)量達(dá)到紡絲級(jí)不加任何添加劑可直接進(jìn)行濕法紡絲，制得連續(xù)纖維，技術(shù)屬國(guó)際原創(chuàng)；g.上佳分散力可原位聚合制備多功能復(fù)合材料團(tuán)聚少，性價(jià)比高；h.優(yōu)異粉末再分散性，可提供粉末和漿料兩種產(chǎn)品，粉末可在水和極性有機(jī)溶劑中再分散成單層結(jié)構(gòu)。八、氧化石墨烯液晶現(xiàn)象的應(yīng)用方面（1）石墨烯纖維石墨烯纖維是由單片石墨烯沿軸向緊密有序排列而成的一維連續(xù)組裝材料。石墨烯不可熔融加工因此石墨烯纖維的制備只能采用基于液相的方法1年，高超課題組首次觀察到氧化石墨烯的溶致液晶行為為石墨烯的液相有序化和固相有序化材料的制備奠定了基礎(chǔ)。石墨烯纖維在柔性超級(jí)電容器、纖維狀電池、智能傳感、功能織物、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。（2）石墨烯薄膜二維石墨烯宏觀膜材料大都通過溶液液晶濕法組裝而成單層氧化石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)對(duì)石墨烯組裝材料的發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)作用單層氧化石墨烯的相對(duì)平整的二維平面結(jié)構(gòu)巨大的寬厚比和層間的多重相互作用在外力的作用下最終組裝成宏觀薄膜材料石墨烯薄膜有著良好的力學(xué)強(qiáng)度電傳輸性能熱傳導(dǎo)能力和磁學(xué)性能等。在鋰離子電極材料、導(dǎo)熱材料、氣體阻隔、分離材料、電熱材料、超級(jí)電容器、納濾膜、驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。單層氧化石墨烯是石墨烯重要的衍生物之一擁有著眾多優(yōu)異性能片層分子具有原子級(jí)厚度與大的橫向尺寸，具有著極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性。在良溶劑中，均勻分散的石墨烯在臨界濃度之上可以自組織形成液晶結(jié)構(gòu)在臨界濃度之下則表現(xiàn)為無序結(jié)構(gòu)通過選擇適當(dāng)?shù)娜軇┱{(diào)節(jié)表面官能團(tuán)相互之間的作用及靜電屏蔽作用等手段可以調(diào)節(jié)分散液的有序組織結(jié)通過組裝方法的選擇可以將石墨烯以自身組裝形成龐雜的石墨烯組裝體系可以組裝形成纖維薄膜氣凝膠、花、卷等材料，擴(kuò)寬石墨烯的應(yīng)用場(chǎng)景和領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)[1]SuchithraPadmajanSasikala,JoonwonLim,InHoKim,HongJuJung,TaeyeongYun,TaeHeeHan,SangOukKim.GrapheneOxideLiquidCrystals:AFrontier2DSoftMaterialForGraphene-BasedFunctionalMaterials.Chem.Soc.Rev.2018,47,6013-6045.[2]n,o.sdsfe.So5,2908-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