正電子湮沒在石墨烯材料微觀結構表征中的應用

        目前市場上已經(jīng)有多種設備用于石墨烯聚合物復合材料微觀結構的表征，但因為許多儀器本身的局限性，使得自由體積及其分數(shù)、界面相互作用等微觀結構的表征非常困難，難以構建微觀結構與宏觀性能之間的關系；而自由體積關乎材料的相變溫度、電導率、熱導率和阻隔性等方面性能。

測試原理 

        當放射性同位素（如Na-22）產(chǎn)生的正電子進入材料后材料后，會與材料中的電子發(fā)生湮沒，正電子產(chǎn)生到湮沒的時間差稱為正電子湮沒壽命，根據(jù)湮沒方式的不同，正電子會有不同的壽命。

        對于聚合物材料，正電子主要有兩種湮沒類型：

        1.正電子直接與材料中的電子發(fā)生湮沒；

        2.正電子在孔洞及自由體積內(nèi)會與電子形成類氫原子的束縛態(tài)（類似正電子為原子核的氫原子），稱為電子偶素（positronium），電子與正電子的自旋方向平行為正-電子偶素（ortho-positronium，簡寫為o-Ps），電子與正電子的自旋方向反平行為仲-電子偶素（para-positronium，簡寫為p-Ps）。電子偶素在形成后也會發(fā)生湮沒，真空中的湮沒壽命分別為125ps（p-Ps）和142ns（o-Ps）。 在聚合物中，一般會存在三種不同的正電子湮沒壽命：

            ●第yi壽命（200ps附近）：對應于p-Ps湮沒類型 

            ●第二壽命（400ps左右）：對應與正電子與材料中電子的直接湮沒 

            ●第三壽命（1-5ns）：正對應與o-Ps湮沒類型 使用專業(yè)軟件對正電子湮沒壽命譜進行解譜可以獲得第三壽命τ3的值，進而計算材料中的自由體積半徑 

        式中R為自由體積半徑，ΔR為經(jīng)驗修正系數(shù)0.166 nm

典型案例 

?? 案例1. 自由體積與相變溫度 

        ● 氧化石墨烯添加量對聚氨酯自由體積分數(shù)的影響：隨著氧化石墨烯質量分數(shù)的增加（0～2.0％），復合材料的自由體積分數(shù)先降低后增加，與玻璃化溫度的變化一致。添加量質量分數(shù)為0.5％時自由體積分數(shù)最小，聚氨酯鏈段運動的空間最小，玻璃化溫度最-高。

        ●石墨烯添加量對聚乙烯自由體積分數(shù)的影響：隨著石墨烯質量分數(shù)的增加 （0～2.0％），復合材料的自由體積分數(shù)逐漸降低，熔點逐漸升高

?? 案例2. 自由體積與電導率

        ●γ輻射對聚乙烯醇／聚乙二醇／石墨烯復合材料電導率影響：建立了電導率與自由體積的數(shù)量關系，通過擬合電導率和自由體積 的結果，得到了離子傳輸?shù)淖钚】锥闯叽鐬?0.34?。

       ●利用正電子湮沒實現(xiàn)了聚碳酸酯／石墨烯復合材料電導率與自由體積分數(shù)的關聯(lián)方程式，并且該方程可用于類似復合材料電導率變化的解釋。

?? 案例3. 自由體積與阻隔性

       ●還原的氧化石墨烯和石墨烯量子點摻雜的海藻酸鈉膜材料對醇／水分離效果的影響：共同摻雜膜的自由體積尺寸明顯小于石墨烯單獨摻雜的膜材料，共摻雜膜材料的平均孔徑為3.11?，大于水分子的動力學直徑2.6?，小于甲醇分子的動力學直徑3.8?，因此共摻雜的膜材料具有優(yōu)異的醇／水分離性能。

       ●磺化氧化石墨烯的取向對Nafion膜氣體阻隔性能的影響：通過正電子湮沒測定了不同取向情況下復合膜的自由體積分數(shù)，利用相關方程式進行了自由體積分數(shù)與擴散系數(shù)的關聯(lián)，從而揭示了磺化氧化石墨烯取向的影響。

?? 案例4. 自由體積與熱導性

       ●石墨烯添加量對聚乙烯醇復合材料熱導率的影響：隨著自由體積空洞濃度的增加熱導率顯著降低，通過擬合實驗結果得出了自由體積分數(shù)與熱導率的數(shù)量關系。

        正電子湮沒技術不僅能揭示石墨烯聚合物復合材料的自由體積特性，現(xiàn)在還能用于聚合物與石墨烯等填料間界面相互作用強度的研究，為該類復合材料結構與性能關系的構建提供了一種新的研究方法。結合材料的凝聚態(tài)物理模型，可以構建該類復合材料自由體積分數(shù)與宏觀電導率、熱導率、阻隔性能的數(shù)量關系，為石墨烯聚合物復合物材料的精準構筑奠定了基礎。