《Nature Communications》：超彈性石墨烯氣凝膠基超材料！

超輕、超強、超韌的石墨烯氣凝膠超材料結合了多種功能，在未來的軍事和國內應用前景廣闊。然而，石墨烯氣凝膠力學性能不理想，缺乏多尺度結構調控，仍然是其發展的阻礙。

在此，來自清華大學（通訊單位）等單位的研究者，展示了一種激光雕刻具有特殊特性的石墨烯氣凝膠(GmAs)的方法。激光雕刻獲得了具有記錄特性的任意結構的GmAs，如超拉伸能力(5400%可逆拉伸應變)、超輕比重(0.1 mg cm?3)、超寬泊松比范圍(?0.95 < vpeak < 1.64)。此外，這一簡單的程序可以將聚合物和粒子納入有序結構中，從而產生具有預定義幾何和功能的物體。相關論文以題為“Superelastic graphene aerogel-based metamaterials”發表在Nature Communications上。

石墨烯氣凝膠(GAs)集超輕、出乎意料的機械強度和前所未有的抗疲勞性能于一體，是一種極具前景的“3U”機械材料，適用于航空航天、國防和能源相關領域的惡劣環境。然而，由于低密度下強度和回彈性之間相互排斥的特性，為材料群體追求獨特的“3U”性能，仍然充滿挑戰。此外，缺乏從可定制的宏觀到有序的微觀配置的多尺度結構調控，也限制了GAs在可穿戴電路、軟機器人和刺激響應設備等多功能場景中的應用。因此，利用可控的宏觀和微觀結構構建強而有彈性的GAs，以及理解驅動GAs卓越力學性能的力學機制，是非常有趣的。

在宏觀形態的塑造上，冷凍干燥是一種廣泛使用的獲得具有模具原始外觀的GAs的方法，它可以在一定程度上調節石墨烯片層的排列，呈現蜂窩、多孔和雙曲網絡。但面對多變的應用場景，難以獲得精確、具體、高性能的形狀。三維(3D)打印也是一種有前途的擠出技術，以制造具有可定制結構的晶格和周期GAs。然而，需要使用高濃度的氧化石墨烯(GO)分散體，以獲得足夠的粘度成為縮小打印結構的一個限制性條件。高粘度使得GO費力地調整微觀結構，通常導致GAs形成純粹的隨機網絡，具有弱的薄片與薄片之間的相互作用和令人不滿意的力學行為。

另一方面，氣體內部的微觀組織，對其宏觀力學性能有較大的影響。GAs的變形屬于開胞模型，在整個壓縮過程中遵循線彈性、坍塌和致密化三個過程。GAs的破壞，伴隨著微觀鉸鏈的形成，這發生在石墨烯壁接近其最大彎矩，然后崩潰。同時，GAs的彈性模量也主要與石墨烯壁的彎曲剛度有關。因此，為了獲得高剛度和彈性的GAs，人們努力通過水熱處理、分子交聯和聚合物增強來提高石墨烯壁的彎曲剛度。然而，片狀結構的具體彈性彎曲剛度，在本質上不如管狀材料和纖維材料。

在此，為了解決這些基本問題，研究者提出了一種具有多功能宏觀結構和高度有序微網絡的石墨烯元氣凝膠(GmAs)激光雕刻策略。GmAs可以快速、精確地設計成任何結構，包括線、平面、3D晶格和孔塊，具有高的特性，如超拉伸性(5400%伸長率)、低比重(0.1 mg cm?3)和超寬泊松比(v)范圍(?0.95 < v < 1.64)。GmAs的微觀結構是由互鎖的亞微米纖維和石墨烯片組成。得益于一維納米纖維增強的二維薄板結構，石墨烯壁的彎曲剛度顯著提高。因此，在壓縮過程中，GmAs的內部變形模式是穩定的塊體變形，而不是軟氣凝膠的微觀屈曲，這導致GmAs具有良好的力學性能，包括魯棒性好，強度和剛度高，任意壓縮后完全恢復形狀，優于大多數碳氣凝膠。此外，簡單的制造過程，允許將其他功能組件整合到有序的結構中，使產品具有預定義的幾何形狀和功能。作為原型，研究者制備的陶瓷氣凝膠和磁響應氣凝膠，顯示了巨大的多功能應用潛力。

圖1 石墨烯氣凝膠(GAs)的傳統雕刻和激光雕刻任意幾何形狀。

圖2 石墨烯氣凝膠(GmAs)的制備與結構。

圖3 GmAs優異的力學性能。

圖4 SEM觀測和ARRDF增強機理分析。

圖5 強化機理的分子動力學模擬。

圖6 具有吸引特性的GmAs的激光工程元結構。

綜上所述，結合一維納米纖維增強二維薄片的有效強化結構，研究者提出了一種激光雕刻策略來構建具有獨特特性和豐富功能的石墨烯復合材料，為從可定制的宏觀結構到有序的微觀結構的精確調控提供了一種超級簡便的方法。具體而言，內部一維納米纖維增強的二維框架保證了穩定的體變形過程，從而顯著提高了其彈性、魯棒性和剛度?；贕mAs令人印象深刻的特性，這項工作為未來發展具有可調諧元結構的多功能氣凝膠提供了參考。