多流场石墨烯定向组装构筑类榫卯增韧材料

研究背景

天然材料常表现出多种相互排斥的性能，例如：蜘蛛丝兼具高强度和高延伸性，竹子兼具高刚性和高韧性，这些在传统人工材料中往往难以兼得。天然材料实现多性能共存的原因，在于该类材料普遍在多尺度上严格控制各向异性基元（如各向异性微纤）在空间内沿特定方向的规则排列。因此，通过调控各向异性基元在空间中的排列特征与规律，有望打破传统材料的性能壁垒，设计制备具有独特性能的人工材料。

石墨烯是一种具有二维各向异性的纳米基元，常采用可溶性氧化石墨烯经湿法加工制备宏观组装材料。根据天然材料内各向异性基元空间定向排列的结构设计理念，控制石墨烯等二维各向异性基元在空间内的排列特征与规律，有望实现石墨烯宏观组装材料的性能强化与功能设计。以往石墨烯膜湿法加工中，二维氧化石墨烯基元在单向剪切下仅沿平面取向排列，形成高结晶度的石墨烯层状材料，表现出极高的面内拉伸强度和脆性变形。实现二维各向异性石墨烯基元在空间内的特征排列和定向组装是宏观材料领域的长期愿景，但现有湿法加工难以实现。

图1：二维各向异性基元在三维空间内的无序排列、层状排列、定向排列

为此，浙江大学高超教授团队提出了多流场剪切法，并成功实现了氧化石墨烯二维各向异性基元在组装体内的定向组装。采用微孔阵列沿孔壁多向剪切使氧化石墨烯基元形成平行取向和竖直取向周期排列的砖垒结构。在薄膜干燥过程中，平行取向的氧化石墨烯基元致密堆积形成传统层状膜单元，垂直取向的氧化石墨烯基元则历经巨量压缩变形形成范德华互锁结构，分别联结两侧的层状单元。这种范德华互锁结与中国传统木构建筑榫卯结构类似，一方面保障了整体木构建筑的结构稳定性，另一方面具备一定变形能力，使其在地震作用下仍能保持结构稳定，因此称为范德华榫卯结。范德华榫卯结的引入及其空间分布的优化使得石墨烯膜同步增强增韧，拉伸强度达2.1GPa，韧性为87.44 MJ m-3。该工作以 “Mortise-and-tenon like van der Waals joints for strong and tough materials via multi-flow microfluidics”为题发表在Nature Communications（
https://doi.org/10.1038/s41467-026-73178-x），浙江大学博士生蔡刚峰、博士毕业生王子秋为论文第一作者，浙江大学李鹏专职研究员、许震长聘副教授、高超教授为共同通讯作者。

02成果简介

1. 从复合思想转向定向组装

多相复合和定构加工是材料结构性能优化与设计的两条重要路径。针对石墨烯材料，以往工作借鉴贝壳珍珠层的“砖-泥”多相复合结构，利用高强度石墨烯片层作为“砖”，再引入聚合物等界面软相作为“泥”，成功实现了高强度与高韧性的石墨烯材料。

本工作提出了另一种思路：调控二维各向异性基元在三维空间中的特征排列实现基元的定向组装，形成垂直取向和平行取向的周期分布（图2）。致密化为“层状石墨烯—范德华榫卯—层状石墨烯”的结构，以纯石墨烯单一组分，同时形成“强承载单元”和“耗能互锁界面”。

图2：二维各向异性基元的定向组装与范德华榫卯互锁结

2.范德华榫卯结构与强韧石墨烯膜

图3展示了垂直取向（x法向）氧化石墨烯片形成的范德华榫卯结构和平行取向（z法向）氧化石墨烯基元形成的层状结构。在干燥致密化和化学还原后，平行取向的片层致密堆叠，形成传统高强度的层状石墨烯；垂直取向的片层在压缩致密化过程中经历大幅折叠变形，并相互交织嵌合，形成类似榫卯连接的范德华互锁结构。如图3e和3g所示，材料内部同时存在致密有序的层状石墨烯区域和相对疏松但相互嵌合的范德华互锁区域，前者提供高效载荷传递，后者赋予材料弱界面阻碍裂纹的快速扩展。

通过改变微孔阵列中单孔的宽度、厚度和排列方式，实现了石墨烯薄膜结构与性能的可控设计。水平阵列多流场使片层平行取向，形成致密堆叠的薄膜，表现出强而脆的特征（模型1）；垂直阵列多流场引入垂直取向片层，形成范德华榫卯结构，显著提升材料的延展性（模型2）；结合水平与垂直阵列，同时构筑高强层状石墨烯和耗能范德华榫卯结构，实现强度与韧性的协同提升（模型3）。采用交错式微孔阵列时，材料中范德华榫卯互锁区域进一步增多（模型4）。石墨烯薄膜实现了2.11 GPa的拉伸强度和87.44 MJ m-3的拉伸韧性。

基于此设计，材料不再只追求二维各向异性基元“越平越好、越密越好、完全消除孔和弱界面”，而是通过各向异性基元在三维空间的定向组装，不同区域发挥独特功能。致密层状石墨烯高效载荷传递，规律分布的范德华榫卯互锁结构为耗能界面，诱导裂纹偏转、界面滑移和能量耗散，从而兼顾强度与韧性。

图3：范德华榫卯互锁结构的形成过程与特征结构

图4：石墨烯薄膜的力学性能

3.增韧机制与拓展

研究团队跟踪了薄膜的断裂过程，发现裂纹在扩展过程中在范德华榫卯结构处发生明显偏转，并伴随新裂纹生成、裂纹桥联、摩擦滑移、块体拔出和局部剥离等耗能过程。裂纹偏转长度约为127 μm，与层状石墨烯单元尺寸吻合，进一步证明了裂纹偏转发生在范德华榫卯区域。这种机制与传统脆性石墨烯薄膜的裂纹快速穿透扩展不同，范德华榫卯互锁结构降低裂纹尖端的应力集中，使材料在保持高强度的同时获得高韧性。

与传统多相复合的贝壳砖-泥结构层状石墨烯材料不同，范德华榫卯结构石墨烯薄膜保持较高电导率，达到1395-1489 S cm-1。厚度约3.4 μm的薄膜在2-18 GHz频段表现出约40 dB的电磁干扰屏蔽效能，显示出在轻质高强导电薄膜和电磁屏蔽材料中的应用潜力。

图5：范德华榫卯结构的增强增韧机制

03研究基础

该工作基于团队在石墨烯宏观材料领域长期积累的研究基础，相关综述见：Appl. Phys. Rev. 2023, 10, 011311, Chinese J. Polym. Sci. 2021, 39, 267, Adv. Mater. 2020, 32, 1902664. Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1267。相关工作包括塑化拉伸提高石墨烯材料取向（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584; Nat. Commun. 2020, 11, 2645; Matter 2026, 9, 102517; Carbon 2023, 208, 160）、复合流场双向有序同心圆石墨烯纤维（Nat. Commun. 2024, 15, 409）、分域剪切多流场限域折叠石墨烯纤维（Nat. Mater. 2026, 25, 191）等。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委青年基金、浙江省自然科学基金等经费的支持。

来源：纳米高分子高超课题组