施加电场可以实现石墨烯片的定向排列吗

石墨烯中每个碳原子通过sp²杂化形成六边形晶格，三个电子参与构成共价键，剩余电子在平面上下形成覆盖整个结构的离域π键。电子可在其中自由移动，几乎不受阻力。‌

一、‌定向排列的原理‌

石墨烯或其衍生物（如氧化石墨烯、改性石墨烯）在电场作用下会发生极化或因其固有带电特性（如阳离子改性）而受到库仑力作用。通过合理设计电场方向和强度，这些片层会受到力矩驱动，克服随机热运动和环境阻力，最终沿着电场方向或特定平面（如平行于电极表面）进行定向排列。

二、‌具体方法与应用‌

• （1）‌电场取向法‌
• 这是一种明确用于构建三维网络型石墨烯导热复合材料的制备技术。将含有石墨烯的分散体系置于特定电场中，利用石墨烯片在电场下的响应实现其空间定向排列，目的是构建连续的导热通路。

• （2）‌电场辅助生长
• ‌ 北京大学张锦院士团队利用‌电场辅助等离子体增强气相沉积法 (AEF-PECVD)‌，在电场诱导下直接生长出垂直排列的高质量石墨烯阵列（VG）。电场在此过程中引导石墨烯片的生长取向，使其垂直于基底排列。
• （3）‌涂层内定向调控
• 中国科学院宁波材料技术与工程研究所的研究团队开发了阳离子石墨烯（DRGO+）纳米片。这种改性石墨烯表面的-NH3+使其具有正电性，当将其分散在水性环氧树脂中并施加电场时，DRGO+纳米片能够‌自对齐平行排列‌在有机涂层内部。这种定向结构最大限度地发挥了石墨烯的阻隔性能。
• （4）‌复合材料增强
• ‌ 在电场（或磁场）作用下，可将氧化石墨烯在环氧树脂基体中进行二维定向排列（如在X-Y平面内），形成交融的定向网络结构，以此提升复合材料的力学和热学性能。

三、‌优势与目的‌

• 定向排列能优化石墨烯片在基体材料中的空间分布，显著提升其功能性（如最大化阻隔性能延长腐蚀介质路径，或构建高效导热网络）。
• 克服了石墨烯片在复合材料中随机分散导致的团聚问题（随机分散会削弱“迷宫效应”、形成导电网络加速腐蚀等）。是实现石墨烯功能复合材料高性能化（如高效散热、长效防腐、增强力学性能）的关键调控手段之一。

• ‌总结

‌ 理论和实践均已证明，通过选择合适的石墨烯材料形态（如带电极性改性）并施加外部电场，可以实现石墨烯片在不同应用场景（导热复合材料、防腐涂层、垂直阵列生长、功能树脂基体等）中的精确定向排列。这是调控石墨烯复合材料微观结构与性能的重要技术手段