《Nature Communications》：超弹性石墨烯气凝胶基超材料！

超轻、超强、超韧的石墨烯气凝胶超材料结合了多种功能，在未来的军事和国内应用前景广阔。然而，石墨烯气凝胶力学性能不理想，缺乏多尺度结构调控，仍然是其发展的阻碍。

在此，来自清华大学（通讯单位）等单位的研究者，展示了一种激光雕刻具有特殊特性的石墨烯气凝胶(GmAs)的方法。激光雕刻获得了具有记录特性的任意结构的GmAs，如超拉伸能力(5400%可逆拉伸应变)、超轻比重(0.1 mg cm⁻³)、超宽泊松比范围(−0.95 < v_peak < 1.64)。此外，这一简单的程序可以将聚合物和粒子纳入有序结构中，从而产生具有预定义几何和功能的物体。相关论文以题为“Superelastic graphene aerogel-based metamaterials”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32200-8

石墨烯气凝胶(GAs)集超轻、出乎意料的机械强度和前所未有的抗疲劳性能于一体，是一种极具前景的“3U”机械材料，适用于航空航天、国防和能源相关领域的恶劣环境。然而，由于低密度下强度和回弹性之间相互排斥的特性，为材料群体追求独特的“3U”性能，仍然充满挑战。此外，缺乏从可定制的宏观到有序的微观配置的多尺度结构调控，也限制了GAs在可穿戴电路、软机器人和刺激响应设备等多功能场景中的应用。因此，利用可控的宏观和微观结构构建强而有弹性的GAs，以及理解驱动GAs卓越力学性能的力学机制，是非常有趣的。

在宏观形态的塑造上，冷冻干燥是一种广泛使用的获得具有模具原始外观的GAs的方法，它可以在一定程度上调节石墨烯片层的排列，呈现蜂窝、多孔和双曲网络。但面对多变的应用场景，难以获得精确、具体、高性能的形状。三维(3D)打印也是一种有前途的挤出技术，以制造具有可定制结构的晶格和周期GAs。然而，需要使用高浓度的氧化石墨烯(GO)分散体，以获得足够的粘度成为缩小打印结构的一个限制性条件。高粘度使得GO费力地调整微观结构，通常导致GAs形成纯粹的随机网络，具有弱的薄片与薄片之间的相互作用和令人不满意的力学行为。

另一方面，气体内部的微观组织，对其宏观力学性能有较大的影响。GAs的变形属于开胞模型，在整个压缩过程中遵循线弹性、坍塌和致密化三个过程。GAs的破坏，伴随着微观铰链的形成，这发生在石墨烯壁接近其最大弯矩，然后崩溃。同时，GAs的弹性模量也主要与石墨烯壁的弯曲刚度有关。因此，为了获得高刚度和弹性的GAs，人们努力通过水热处理、分子交联和聚合物增强来提高石墨烯壁的弯曲刚度。然而，片状结构的具体弹性弯曲刚度，在本质上不如管状材料和纤维材料。

在此，为了解决这些基本问题，研究者提出了一种具有多功能宏观结构和高度有序微网络的石墨烯元气凝胶(GmAs)激光雕刻策略。GmAs可以快速、精确地设计成任何结构，包括线、平面、3D晶格和孔块，具有高的特性，如超拉伸性(5400%伸长率)、低比重(0.1 mg cm⁻³)和超宽泊松比(v)范围(−0.95 < v < 1.64)。GmAs的微观结构是由互锁的亚微米纤维和石墨烯片组成。得益于一维纳米纤维增强的二维薄板结构，石墨烯壁的弯曲刚度显著提高。因此，在压缩过程中，GmAs的内部变形模式是稳定的块体变形，而不是软气凝胶的微观屈曲，这导致GmAs具有良好的力学性能，包括鲁棒性好，强度和刚度高，任意压缩后完全恢复形状，优于大多数碳气凝胶。此外，简单的制造过程，允许将其他功能组件整合到有序的结构中，使产品具有预定义的几何形状和功能。作为原型，研究者制备的陶瓷气凝胶和磁响应气凝胶，显示了巨大的多功能应用潜力。

图1 石墨烯气凝胶(GAs)的传统雕刻和激光雕刻任意几何形状。

图2 石墨烯气凝胶(GmAs)的制备与结构。

图3 GmAs优异的力学性能。

图4 SEM观测和ARRDF增强机理分析。

图5 强化机理的分子动力学模拟。

图6 具有吸引特性的GmAs的激光工程元结构。

综上所述，结合一维纳米纤维增强二维薄片的有效强化结构，研究者提出了一种激光雕刻策略来构建具有独特特性和丰富功能的石墨烯复合材料，为从可定制的宏观结构到有序的微观结构的精确调控提供了一种超级简便的方法。具体而言，内部一维纳米纤维增强的二维框架保证了稳定的体变形过程，从而显著提高了其弹性、鲁棒性和刚度。基于GmAs令人印象深刻的特性，这项工作为未来发展具有可调谐元结构的多功能气凝胶提供了参考。（文：水生）