雕刻技術(shù)是人類智慧的瑰寶，無論是隨處可見的木頭、石材和獸骨，還是稀有的金屬與玉石，經(jīng)過人類的雕琢就可以成為實用的工具或者價值不菲的藝術(shù)品。作為新興的烯碳材料，石墨烯氣凝膠具有超高的比表面積以及優(yōu)異的力學(xué)與導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)，但現(xiàn)有的加工手段限制了其進一步的應(yīng)用。如果可以將雕刻技術(shù)應(yīng)用于石墨烯氣凝膠，將賦予石墨烯更多的功能性與價值。然而，石墨烯氣凝膠自身較弱與軟的性質(zhì)限制了傳統(tǒng)雕刻方法的使用，同時，傳統(tǒng)雕刻與其他塑形方法的精度也無法滿足微納加工的尺寸需求。另一方面，石墨烯氣凝膠自身的微觀結(jié)構(gòu)決定著其本征的力學(xué)性能，過于薄與弱的石墨烯壁無法承載石墨烯氣凝膠在變形過程中的應(yīng)力需求，很容易出現(xiàn)微觀屈曲并伴隨永久形變，最終導(dǎo)致形狀無法恢復(fù)。

圖1.（a）傳統(tǒng)木雕生產(chǎn)的生活用品以及藝術(shù)品，（b）快速激光加工成型石墨烯氣凝膠過程，（c）激光雕刻石墨烯氣凝膠牡丹花樣品，（d）激光雕刻石墨烯氣凝膠可重復(fù)組裝的鷹樣品。

近日，清華大學(xué)的曲良體教授團隊與福州大學(xué)吳明懋副教授等合作，通過快速激光雕刻與微觀剛度增強的方法，制備了一種超彈的石墨烯“超凝膠”（GmA）。微觀剛度增強采用一維納米纖維與二維石墨烯壁互鎖的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出了一種連續(xù)可靠的長程穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這也是自然界中最有效的增強增韌方式，由此構(gòu)造的GmA在經(jīng)歷1000次50%的壓縮應(yīng)變后，應(yīng)力保持率可以維持在95%，原始形狀也沒有任何改變，其耐壓縮能力遠超原始的石墨烯氣凝膠（PGA）與大部分的碳氣凝膠。通過密度泛函計算與分子動力學(xué)模擬，其微觀剛度增強的機制也被詳細的證明，一維納米纖維與二維石墨烯壁互鎖的結(jié)構(gòu)可以有效增強石墨烯壁的彎曲剛度，因此，在形變過程中，GmA的石墨烯壁更易于發(fā)生整體的形變，有利于能量的均勻耗散，而PGA的石墨烯壁較弱，很容易發(fā)生微觀屈曲，導(dǎo)致永久形變的發(fā)生。

圖2.（a）GmA制備流程，（b）經(jīng)過壓縮后的GmA的應(yīng)力與應(yīng)變保持率與文獻對比圖，（c）理論模擬與實驗結(jié)果經(jīng)過歸一化后壓縮的相對應(yīng)變能與應(yīng)變關(guān)系圖，（d）石墨烯骨架彎曲剛度與納米纖維初始密度的關(guān)系圖。

基于GmA優(yōu)異的力學(xué)性能，通過激光雕刻可以快速加工出具有豐富功能性的GmA，例如，激光可以輕易地對GmA塑形，形成蛇形、品字形、螺旋形的GmA結(jié)構(gòu)，賦予GmA可拉伸性。除此之外，激光可以將GmA雕刻成不同的中空結(jié)構(gòu)，并不斷減少其比重，甚至可以減少到0.1 mg cm?3，在這種情況下，GmA僅通過靜電力就可以克服自身重力，同時還具有優(yōu)秀的耐壓縮能力。經(jīng)過力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，激光亦可以賦予GmA不同的泊松比（?0.95 《 v 《 1.64），其范圍超越了過去文獻報道的不同方法。

圖3.（a）激光雕刻的GmA不同中空結(jié)構(gòu)與比重，（b）通過靜電力吸附在打印紙上的超輕GmA，（c）超輕GmA經(jīng)過50次80%應(yīng)變的壓縮循環(huán)照片，（d）不同泊松比的GmA在壓縮過程中的快照，（e）不同泊松比的GmA的有限元分析圖，（f）不同泊松比的GmA在壓縮過程中的應(yīng)變與泊松比關(guān)系圖。

這一成果有效地構(gòu)建了微觀結(jié)構(gòu)增強的石墨烯氣凝膠，并利用激光快速雕刻的方式形成了功能性豐富的GmA，為烯碳材料的進一步應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)基礎(chǔ)，該文章近期發(fā)表在Nature Communications 上。

Superelastic graphene aerogel-based metamaterials

Mingmao Wu， Hongya Geng， Yajie Hu， Hongyun Ma， Ce Yang， Hongwu Chen， Yeye Wen， Huhu Cheng， Chun Li， Feng Liu， Lan Jiang， Liangti Qu

Nat. Commun.， 2022， 13， 4561， DOI： 10.1038/s41467-022-32200-8

審核編輯 ：李倩