在传统的泡沫材料中，电性能通常不是最关键的性能。然而，三维石墨烯泡沫截然不同，其电学性质对于其在功能器件中的应用尤为重要。实际上，合成三维石墨烯泡沫的一个重要目的就是继承单层石墨烯优异的电学性能。虽然实验一直试图研究甚至提高石墨烯泡沫的电学性能，但理论研究的不足制约了这一方向的进一步发展。这种尴尬的局面主要是由于石墨烯泡沫材料的复杂性，如石墨烯片的多自由度(层数、尺寸)以及这一问题的多尺度特征(涉及电子德布罗意波长、石墨烯片尺度、石墨烯片相互接触的特征尺度)。

近日，中科院力学所副研究员刘峰与王超合作，提出了一个理论框架，系统研究了三维石墨烯泡沫的导电性，发现了该体系的大导电性现象。在这个理论框架中，传导过程可以分为两个层次。第一阶段，底层，利用介观输运理论结合紧束缚模型研究石墨烯片间的电导。其次，通过分子动力学模拟研究三维石墨烯泡沫的网络结构，提取平均接触面积、平均接触点密度等几何特征。结合这两方面的信息可以从理论上计算出石墨烯泡沫的电导率和导电率。这项研究发现，石墨烯泡沫具有电导率很大的现象(即随着石墨烯片数的增加，电导率先增大后减小)，并进一步揭示了这一现象的物理机制。【/br/】众所周知，在传统的泡沫材料中，存在一个优化的泡沫密度，使隔热能力最大化，这是由于固体中热传导和热辐射的竞争。本研究首次从理论上提出三维石墨烯泡沫存在一个最佳层数使其导电性最大化，并对其物理机制进行了系统研究。该工作为优化三维石墨烯泡沫的导电性提供了理论依据，并将促进该材料在功能器件中的应用。

此外，对变形后的三维石墨烯泡沫的电导率进行了分析。在循环荷载作用下，阻力的变化逐渐趋于稳定，并伴有迟滞回线的出现，这与实验观察定性一致。由于大变形是泡沫材料的重要特性，研究大变形下石墨烯泡沫材料的导电性对于应变传感和应变调控的实际应用具有重要的指导意义。

相关结果发表在Small上(F. Liu，C. Wang，Q. Tang，conductivity maximum in 3D graph foam，Small 2022，1801458)。这项工作得到了国家自然科学基金和中科院B类试点项目的支持。

文章链接:

https://online library . Wiley . com/doi/ABS/10.1002/smll . 2022 01 458

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