圖為三維石墨烯材料的製備及微觀結構
南開新聞網訊(記者 吳軍輝)具有較大可逆形變功能的彈性材料在各種工程應用中具有廣泛需求。然而，目前幾乎所有高彈性材料的彈性及其他力學性能都會受到溫度影響，更沒有一種材料能夠實現在外太空等深低溫環境下具有高彈性。這一難題長期困擾著國際材料研發和應用領域的科研工作者。經過多年持續攻關，南開大學化學學院陳永勝教授團隊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℃)高溫區間保持良好的穩定性和高彈性。這種新型「太空海綿」在極端條件下的生產與實驗、航天裝備製造等領域具有良好應用前景。日前，介紹該成果的論文發表於國際知名學術刊物《科學進展》(Science Advances)上。
高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，已廣泛應用於人類生產、生活。新型高彈性材料在諸如可穿戴設備、人工肌肉、傳感器等高端研究、技術領域具有極大應用前景。然而，幾乎目前所有高彈性材料的彈性及其他力學性能都受溫度影響。例如，矽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，發生玻璃化轉變而變硬、變脆。同樣的問題也存在於高彈聚合物的泡沫或海綿材料。
事實上，通常材料的韌性、彈性在低溫環境下會顯著降低。普通的無機金屬、陶瓷材料的彈性應變範圍極其受限。改善這類不足的方法包括構建多孔的、多級的材料結構，如金屬微格、納米陶瓷微格等。然而這些材料都是基於傳統材料的二次加工，所以無一例外地，其力學性能仍受溫度影響。製備基於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變範圍或韌性，並擴展材料應用的溫度範圍，但卻不能根本改變溫度對彈性的影響。
碳納米材料，如碳納米管和石墨烯，具有極高的機械強度、柔韌性以及出色的熱穩定性，被認為非常適合作為構築單元製備不受溫度影響的彈性材料。在石墨烯乃至整個納米材料研究領域，獲得一種由納米材料單體構建的宏觀體相材料，例如三維石墨烯，並使其能夠保持納米單體的本徵性質是長期以來重要難點問題之一。
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的彈性變形能力，而且這種力學行為同樣表現在當材料被浸於液氦中(77K，約-196℃)或900℃的惰性氣氛中。鑑於三維交聯石墨烯海綿(三維石墨烯材料)獨特的微觀結構，以及單片石墨烯的本徵性質，陳永勝團隊將研究方向聚焦在闡明石墨烯及其宏觀三維交聯體相材料的超級壓縮彈性以及其他力學性能是否可以在極端低溫的條件下保持不變。
該團隊研獲的三維石墨烯材料，由無序排列的單層石墨烯片通過共價鍵化學交聯而構成，在低至液氦溫區的極端低溫條件下具有與室溫下相同的力學性能，包括高度可回復的超級彈性，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)以及出色的抗疲勞性能。團隊研究人員指出，目前，尚無任何其他材料具有此種低溫超級彈性性能以及4K至1273K溫度範圍內不受溫度影響的彈性及力學性能的報導。
通過自主搭建的力學性能測試系統，陳永勝團隊精確、系統地測試了在4-1273K(約-269℃至1000℃)溫度範圍內三維石墨烯材料的各項力學性能；利用團隊改造的掃描電子顯微鏡和原位變溫樣品臺，獲得了三維石墨烯材料在極端低溫和高溫條件下壓縮-回彈過程中微觀結構的變形特徵；通過理論模型計算的驗證，闡明了這一新型材料溫度不變性源於石墨烯特有的sp2雜化的二維碳原子平面晶體結構。
該研究團隊指出，在深低溫條件下,石墨烯和三維石墨烯材料顯著的力學穩定性使其成為在外太空和其他極端低溫或惡劣環境中應用的最佳研究對象。其它的二維納米材料，如果具有與石墨烯類似的結構，例如石墨炔、矽烯、平面鍺以及二維Bi1−xSbx薄片，並將其作為結構單元依照類似於三維石墨烯的方式組裝起來，得到的宏觀材料也有可能充分保留二維構造單元獨特的性質，並展現出宏觀的特異性能。
據悉，該項研究由南開大學陳永勝教授團隊和美國萊斯大學Pulickel Ajayan教授團隊合作完成，獲得了國家科技部、國家自然科學基金等支持。
論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav2589