英文原题：Writing of Janus Graphene/Kevlar Textile for Intelligent Protective Clothing

通讯作者：张莹莹, 清华大学

作者：Huimin Wang, Haomin Wang, Yiliang Wang, Xinyi Su, Chunya Wang, Mingchao Zhang, Muqiang Jian, Kailun Xia, Xiaoping Liang, Haojie Lu, Shuo Li, Yingying Zhang

保障人身安全对人类社会具有重要意义。防护服是个人防护用品的重要组成部分，在电子工业、医疗服务、消防等领域发挥着重要作用。以芳纶为代表的高性能聚合物纺织品（例如 凯夫拉[Kevlar]织物）由于其优异的力学性能，是制作防护服的重要面料。如果能使防护服在防护身体免受外界伤害的基础上，具备监测生理信号、探测潜在危险等功能，无疑将使其防护功能更为强大。

石墨烯具有导电性好、重量轻、稳定性好等优点，是制备柔性可穿戴电子器件的理想材料。典型的石墨烯基电子器件是通过将制备好的石墨烯转移到支撑材料上而制备的。在这种情况下，由于界面较弱的相互作用，石墨烯容易从支撑材料上剥离，从而导致器件性能下降。此外，研究人员最近报道可以通过在聚酰亚胺、木材或纸张上进行激光书写来制备石墨烯，激光书写制备石墨烯的方法简单、设计灵活，有利于图案化石墨烯的定点制备。如果能够在织物上实现激光直写石墨烯，那将会大大方便石墨烯基柔性电子器件在织物上的集成。

近日，清华大学张莹莹（点击查看介绍）课题组报道了在芳纶织物上利用激光直写制作石墨烯的方法（图1），该方法操作简单灵活，在空气中即可进行，并进而展示了其在智能防护服中的潜在应用。芳纶向石墨烯的转变可归因于激光辐照的光热效应。通过优化实验条件（激光功率为6.5 W，写入速度为50 mm•s^-1），可以在空气中制备出正面为多孔石墨烯、背面为芳纶纤维的“两面神”型异质石墨烯/芳纶织物。这种结构可以在保证穿着人体舒适的同时将更多功能引入纺织品。所制备的石墨烯具有高导电性（10.6 Ω，2×0.5 cm^-2），使其可以用于高性能柔性电子器件的制备。作者展示了石墨烯-芳纶织物在柔性器件中的应用，包括固态锌空气电池、心电电极和NO₂气体传感器。在此基础上，进一步制备了一种用于检测NO₂等有毒气体的自供电智能防护服（图4）。激光直接在织物书写石墨烯为定制化织物电子产品的简易制造提供了新的思路。

图1. 激光诱导芳纶转化为石墨烯

作者深入分析了在空气条件下激光诱导芳纶转化为石墨烯的机理（图2）。芳纶织物由排列整齐的芳纶纤维组成，芳纶纤维由大量取向排列的纳米纤维构成。纤维分子链中的苯环和酰亚胺基团之间有丰富的共价键，羰基和N-H基团之间也有氢键，因此芳纶在空气条件下具有优异的自熄能力。当用二氧化碳激光照射芳纶时产生显著的光热效应，导致局部高温，进而导致纤维烧蚀和解聚。这一过程产生的高温会破坏C=O和N-C键。这些原子重组并释放为气态产物，包括H₂O、CO₂、N_xO_y、苯（C₆H₆）、甲苯（C₇H₈）等。同时，残余的碳原子会重组并“再结晶”成石墨烯。气体产物的快速释放有助于形成少层石墨烯和三维多孔结构。此外，文章作者还对棉或蚕丝纺织品进行了同样的激光书写处理，发现不能直接从棉或蚕丝获得石墨烯，这可归因于这些纺织品与芳纶的结构和组成的差异。

图2. 芳纶转化为石墨烯的机理分析

图3. 石墨烯-芳纶智能异质织物基全固态锌空气电池

图4. 石墨烯-芳纶智能异质织物基自供电气体传感系统和防护服