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 具有較大可逆形變功能的彈性材料在各種工程應(yīng)用中具有廣泛需求。然而，目前幾乎所有高彈性材料的彈性及其他力學(xué)性能都會(huì)受到溫度影響，更沒有一種材料能夠?qū)崿F(xiàn)在外太空等深低溫環(huán)境下具有高彈性。

這一難題長(zhǎng)期困擾著國(guó)際材料研發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域的科研工作者。經(jīng)過(guò)多年持續(xù)攻關(guān)，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院陳永勝教授團(tuán)隊(duì)研獲了一種新型三維石墨烯材料，可在4K(約-269℃)深低溫到1273K(約1000℃)高溫區(qū)間保持良好的穩(wěn)定性和高彈性。這種新型“太空海綿”在極端條件下的生產(chǎn)與實(shí)驗(yàn)、航天裝備制造等領(lǐng)域具有良好應(yīng)用前景。日前，介紹該成果的論文發(fā)表于國(guó)際知名學(xué)術(shù)刊物《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。

彈性材料是一類具有較大可逆形變能力的材料，例如常見的橡膠、聚合物泡沫材料等，已廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)、生活。新型高彈性材料在諸如可穿戴設(shè)備、人工肌肉、傳感器等高端研究、技術(shù)領(lǐng)域具有極大應(yīng)用前景。然而，幾乎目前所有高彈性材料的彈性及其他力學(xué)性能都受溫度影響。例如，硅橡膠在高溫條件下軟化或分解；相反地，隨溫度降低逐漸喪失彈性，發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變而變硬、變脆。同樣的問(wèn)題也存在于高彈聚合物的泡沫或海綿材料。

事實(shí)上，通常材料的韌性、彈性在低溫環(huán)境下會(huì)顯著降低。普通的無(wú)機(jī)金屬、陶瓷材料的彈性應(yīng)變范圍極其受限。改善這類不足的方法包括構(gòu)建多孔的、多級(jí)的材料結(jié)構(gòu)，如金屬微格、納米陶瓷微格等。然而這些材料都是基于傳統(tǒng)材料的二次加工，所以無(wú)一例外地，其力學(xué)性能仍受溫度影響。制備基于可逆相變的具有形狀記憶功能的超彈性合金及陶瓷雖然可以在一定程度上增大材料的彈性應(yīng)變范圍或韌性，并擴(kuò)展材料應(yīng)用的溫度范圍，但卻不能根本改變溫度對(duì)彈性的影響。

圖為三維石墨烯材料的制備及微觀結(jié)構(gòu)

碳納米材料，如碳納米管和石墨烯，具有極高的機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性以及出色的熱穩(wěn)定性，被認(rèn)為非常適合作為構(gòu)筑單元制備不受溫度影響的彈性材料。在石墨烯乃至整個(gè)納米材料研究領(lǐng)域，獲得一種由納米材料單體構(gòu)建的宏觀體相材料，例如三維石墨烯，并使其能夠保持納米單體的本征性質(zhì)是長(zhǎng)期以來(lái)重要難點(diǎn)問(wèn)題之一。

既往研究顯示，具有壓縮彈性的三維石墨烯材料不僅在室溫下具有大形變量可回復(fù)的彈性變形能力，而且這種力學(xué)行為同樣表現(xiàn)在當(dāng)材料被浸于液氦中(77K，約-196℃)或900℃的惰性氣氛中。鑒于三維交聯(lián)石墨烯海綿(三維石墨烯材料)獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)，以及單片石墨烯的本征性質(zhì)，陳永勝團(tuán)隊(duì)將研究方向聚焦在闡明石墨烯及其宏觀三維交聯(lián)體相材料的超級(jí)壓縮彈性以及其他力學(xué)性能是否可以在極端低溫的條件下保持不變。

該團(tuán)隊(duì)研獲的三維石墨烯材料，由無(wú)序排列的單層石墨烯片通過(guò)共價(jià)鍵化學(xué)交聯(lián)而構(gòu)成，在低至液氦溫區(qū)的極端低溫條件下具有與室溫下相同的力學(xué)性能，包括高度可回復(fù)的超級(jí)彈性，不變的楊氏模量(描述固體材料抵抗形變能力的物理量)，近零泊松比(反映材料橫向變形的彈性常數(shù))以及出色的抗疲勞性能。團(tuán)隊(duì)研究人員指出，目前，尚無(wú)任何其他材料具有此種低溫超級(jí)彈性性能以及4K至1273K溫度范圍內(nèi)不受溫度影響的彈性及力學(xué)性能的報(bào)道。

通過(guò)自主搭建的力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)，陳永勝團(tuán)隊(duì)精確、系統(tǒng)地測(cè)試了在4-1273K(約-269℃至1000℃)溫度范圍內(nèi)三維石墨烯材料的各項(xiàng)力學(xué)性能；利用團(tuán)隊(duì)改造的掃描電子顯微鏡和原位變溫樣品臺(tái)，獲得了三維石墨烯材料在極端低溫和高溫條件下壓縮-回彈過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)的變形特征；通過(guò)理論模型計(jì)算的驗(yàn)證，闡明了這一新型材料溫度不變性源于石墨烯特有的sp2雜化的二維碳原子平面晶體結(jié)構(gòu)。

該研究團(tuán)隊(duì)指出，在深低溫條件下,石墨烯和三維石墨烯材料顯著的力學(xué)穩(wěn)定性使其成為在外太空和其他極端低溫或惡劣環(huán)境中應(yīng)用的最佳研究對(duì)象。其它的二維納米材料，如果具有與石墨烯類似的結(jié)構(gòu)，例如石墨炔、硅烯、平面鍺以及二維Bi1−xSbx薄片，并將其作為結(jié)構(gòu)單元依照類似于三維石墨烯的方式組裝起來(lái)，得到的宏觀材料也有可能充分保留二維構(gòu)造單元獨(dú)特的性質(zhì)，并展現(xiàn)出宏觀的特異性能。

據(jù)悉，該項(xiàng)研究由南開大學(xué)陳永勝教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)萊斯大學(xué)Pulickel Ajayan教授團(tuán)隊(duì)合作完成，獲得了國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。