多流场石墨烯定向组装构筑轻质高强弹性超材料

受墨鱼骨启发！浙大高超团队AM：多流场石墨烯定向组装构筑轻质高强弹性超材料

　　轻质高强弹性材料在航空航天、缓冲防护和传感检测等领域具有重要需求。然而，目前人工材料往往在低密度、高压缩强度与大可逆变形三项物理性质之间难以兼得。以轻质碳材料为例，软碳材料通常具有优异的回弹性，但其内部无序碳片层使其抗压强度、模量较低；硬碳材料具有更高的力学强度和抗变形能力，但其脆性硬碳框架易破坏，缺乏弹性恢复能力。因此，在碳材料中，同时实现高压缩强度、高模量、弹性变形是一个巨大挑战。

　　石墨烯块体材料是由二维各向异性石墨烯基元组装而成的新型轻质碳材料，如石墨烯气凝胶。以往研究工作通过优化石墨烯气凝胶材料的孔结构，实现其超大变形能力和弹性回复等特点。但是，与软碳材料相似，石墨烯块体材料的压缩强度和模量较低。力学超材料是一类具有精心设计空间排列结构特征（周期性或非周期性）的人工材料，常表现出违反直觉的宏观力学性质，甚至超越构成它基体材料的极限。受力学超材料结构设计理念启发，如果在石墨烯块体材料三维空间内，将二维各向异性石墨烯基元沿特定方向排列组合，有望实现新型石墨烯基元组装的宏观超材料，从而设计材料的宏观力学特性。

　　为此，浙江大学李鹏等提出了多流场石墨烯定向组装思想，开发了图案化阵列多剪切流场，调控氧化石墨烯二维基元在三维空间的周期取向，成功构筑出系列石墨烯基元组装超材料。其中，由层状阵列多流场制备的石墨烯超材料具有类墨鱼骨的“层-壁”结构，表现出与墨鱼骨相似的高抗压强度、高模量、高效能量吸收，同时具备石墨烯软碳材料优异的弹性大变形特性。相关成果以“Lightweight, Strong, and Resilient 3D Graphene Metamaterial via a Multi-flow Assembly”为题发表在Advanced Materials，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、刘英军百人计划研究员、高超教授为共同通讯作者。

1. 多流场定向组装实现石墨烯片层精准排列

　　传统轻质石墨烯块体材料主要通过定向冷冻、模板或发泡法制备多孔气凝胶结构，其核心主要集中在孔结构优化的科学角度。例如，调控孔结构、孔径大小或孔隙连通性可以改善材料的回弹性和变形能力。然而，在轻质石墨烯块体材料中，石墨烯片层仍然是承受力学载荷或声子/电子传递的主要载体和通道。在传统轻质石墨烯气凝胶材料中，石墨烯片层在三维空间中的排列特征难以精准控制，材料内部承载路径不明确，容易出现局部的应力集中，从而限制材料的压缩强度、模量和结构稳定性。

　　研究团队提出多流场定向组装思想，将氧化石墨烯液晶溶液推入自行设计的图案化阵列多流场（图1a），利用图案化阵列多流场诱导氧化石墨烯片层定向排列。以层状阵列多流场为例，流动过程中，氧化石墨烯二维基元在阵列多流场下同时经历沿轴向（x方向）的剪切和纵向（z方向）的扩张剪切，产生垂直方向的速度梯度，使层状中心处的氧化石墨烯基元沿z方向取向，形成抛物线形态的垂直石墨烯壁（图1c-d）；层状边缘处的氧化石墨烯在强轴向剪切下仍保持x方向取向，形成平行排列的石墨烯层。与以往基于单一剪切流场控制石墨烯基元沿轴向的取向排列不同，多流场复合成功在三维空间中实现了氧化石墨烯二维基元的排列特征调控，使二维基元按照预设方向定向组装，构筑宏观超结构材料。通过调控图案化阵列多流场，研究团队进一步构筑了六边形、三角形、菱形和方形等多种可编程石墨烯超材料，展示了该方法的结构设计能力和可扩展性。

图1：多流场定向组装构筑石墨烯超材料

2. 类墨鱼骨“层-壁”结构实现逐层压缩变形

　　墨鱼骨的“层-壁”结构使其在深海压力下能保持结构完整性，其结构具有逐层变形特征，也避免了整体结构突然破坏。研究团队制备的石墨烯超材料具有与墨鱼骨类似的“层-壁”结构。在压缩过程中，平行的石墨烯层保证了超材料结构的完整性；垂直的石墨烯壁沿加载方向共同承载外力，避免了传统无序排列石墨烯片层的局部应力集中。实时光学观察和原位扫描电镜结果表明，材料的压缩过程是从顶层开始逐层压缩，随后逐渐扩展到整个块体。与墨鱼骨的逐层变形行为一致，这种逐层变形机制有效改善了材料的结构稳定性并提高其抗变形能力（图2）。

　　不同于天然墨鱼骨压缩后的不可逆破坏，垂直的石墨烯壁可在弯曲过程中储存弹性势能，并在卸载后恢复形貌。因此，该材料既继承了墨鱼骨结构高效承载和逐层变形的优势，又获得了天然墨鱼骨不具备的大变形弹性回复能力。材料在90%压缩变形下仍可恢复，并表现出近零泊松比特征（视频1）。

图2：“层-壁”结构石墨烯超材料逐层压缩变形机制

视频1：石墨烯超材料的压缩过程

3. 超材料具有低密度、高强度、高模量和高能量吸收

　　通过控制相邻水平“层”之间的间距，即垂直石墨烯“壁”的高度，制备了系列类墨鱼骨“层-壁”结构的石墨烯超材料（图3）。在约10 mg cm-3的低密度下，该石墨烯超材料表现出优异的综合力学性能。当垂直石墨烯壁由100 μm增加至1000 μm时，材料模量由196 kPa提高至388 kPa，显示出更强的抗变形能力。相反，较小的壁高度（如100 μm）有利于形成更均匀的应力分布，使材料抗压强度提高。在70%压缩应变下，超材料的能量吸收达到3.29-4.28 J g-1，较随机取向石墨烯对照样品提升72%-124%。石墨烯超材料可支撑约自身重量4000倍的载荷而无明显变形，显示出其超轻与高力学承载、模量的特点。

图3：“层-壁”石墨烯超材料的力学性能

4. 高循环回弹与宽量程压力传感应用

　　除了高强度和高模量外，类墨鱼骨石墨烯超材料具有优异的大变形弹性回复能力，在实际应用中还具备长期循环稳定性和复杂环境适应能力。循环稳定性测试显示，在50%和70%压缩应变下循环5000次后，材料仍分别保持超过92%和86%的初始最大应力。优异的压缩强度和循环稳定性使其成为一种宽量程压阻传感器。传感器在低压区和高压区均具有可分辨信号，70%压缩应变下有效检测范围可达148 kPa。在极端低温工况下，石墨烯超材料仍可保持回弹能力和压力传感性能。因此，石墨烯超材料在极端环境压力监测、工业压力传感、缓冲防弹和航空航天等领域具有潜在应用价值。

图4：“层-壁”石墨烯超材料的循环回弹性能与压阻传感应用

　　该工作延续了团队在石墨烯取向调控和材料制备领域的长期积累。相关工作包括塑化拉伸调控石墨烯材料单向取向（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584; Nat. Commun. 2020, 11, 2645; Matter 2026, 9, 102517; Carbon 2023, 208, 160）、复合流场诱导石墨烯双向有序排列，制备同心圆石墨烯纤维（Nat. Commun. 2024, 15, 409）、分域剪切多流场实现石墨烯片层限域折叠（Nat. Mater. 2026, 25, 191）、多流场定向组装构筑石墨烯范德华榫卯结（Nat. Commun. 2026）等。该工作得到了国家自然科学基金委青年基金、浙江省自然科学基金、国家重点研发计划等经费的支持。

　　来源：高烯科技