清華新聞網3月22日電 3月18日，清華大學航天航空學院李曉雁課題組與美國布朗大學、加州理工學院、浙江大學合作，在《美國科學院院報》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上發表了題為《輕質、高強以及缺陷不敏感的熱解碳納米點陣》（Lightweight, flaw-tolerant and ultrastrong nanoarchitected carbon）的研究論文。在論文中，研究者製備實現了同時具有超輕、高強度、大變形、缺陷不敏感的熱解碳納米點陣。
近二十年來，人們基於仿生設計製備了多種多樣的具有優異力學性能的微納米多孔材料。通常，人們將密度小於水密度（1 g/cm3）的材料定義為「超輕」材料。近些年，超輕材料已經成為了全世界材料科學和固體力學領域研究的熱點。如何實現材料同時具有超輕、高強度、大變形、缺陷不敏感等優異性能是現代材料設計和製造的一個巨大挑戰。
近年來，李曉雁研究組針對這一問題和挑戰，採用新型微納米製備技術製備了多種微納米力學超材料，並利用原位電鏡測試對其進行了力學表徵。這些微納米力學超材料展示出了優異的力學性能。近期，李曉雁課題組採用「雙光子光刻—高溫熱解」兩步法（圖1A所示）製備獲得了Octet型（圖1B所示）和Iso型（圖1C所示）兩類熱解碳納米點陣，其中Octet型和Iso型單胞結構均是經過拓撲優化而獲得的。這些新型熱解碳納米點陣的特徵尺寸（即杆的直徑）最小可以達到261 nm（圖1D、E所示），超過了目前三維光刻技術可以實現的最小解析度極限。這些熱解碳納米點陣的密度達到0.24-1.0 g/cm3，其強度介於0.05-1.90 GPa之間。特別引人關注的是，當點陣結構的密度約為1.0 g/cm3時，其強度高達1.9 GPa（圖2A所示）。這一強度接近於熱解碳材料固有的理論強度極限，從而導致該點陣的比強度（即強度與密度的比值）高達1.90 GPa g-1 cm3。這一比強度值比目前所有人工製備的微納米點陣材料的比強度高1-3個量級。目前，在已經製備獲得的所有超輕材料中，這些新型熱解碳納米點陣具有最高的強度和比強度，未來在微納米結構器件中有著廣泛的應用前景。
圖1. 熱解碳納米點陣的兩步法製備及其微結構
研究組採用原位電鏡測試和有限元模擬進一步深入研究了熱解碳納米點陣的變形行為。研究結果表明：這些新型點陣的斷裂應變高達14%，遠超早先脆性材料的點陣結構（斷裂應變僅有4%）；當點陣的密度大於0.4 g/cm3時，Octet型和Iso型熱解碳納米點陣展示出奇特的缺陷不敏感性，即製備過程中引入的多種缺陷（如直杆彎曲、錯位等）並不會導致納米點陣剛度和強度的降低（圖2B所示）。這是因為，隨著特徵尺寸的下降，材料內部缺陷數量急劇減少，材料會表現出「越小越強」的奇特效應。特別是，當材料本身的特徵尺寸達到納米量級時，材料強度將會接近材料本身固有的理論強度極限。
這些新型熱解碳納米點陣展示了前所未有的力學性能：不僅具有超低的密度，而且具有超高的強度和比強度以及奇特的缺陷不敏感性。這些優異的力學性能主要歸功於：（1）對於點陣幾何結構的拓撲優化設計；（2）將結構中杆件的特徵尺寸控制在了納米量級；（3）採用高溫熱解方法獲得了優質的熱解碳材料。這一研究工作首次製備出了同時具有超輕、高強、大變形和缺陷不敏感的微納米力學超材料，同時為設計和大規模製備具有優異力學性能的納米構築材料提供了一種切實可行的思路和方法。
圖2. 熱解碳納米點陣的力學性能
近年來，李曉雁研究團隊主要從事新型微納米結構材料力學研究，在相關領域取得了多項重要的成果。相關工作發表在《自然材料》（Nature Materials）、《自然通訊》（Nature Communications）、《科學進展》（Science Advances）、《先進材料》（Advanced Materials）以及《美國化學學會-納米材料》（ACS Nano）等期刊上。
清華大學李曉雁長聘副教授、加州理工學院Julia R. Greer教授等為論文的共同通訊作者，清華大學航院張璇博士為論文第一作者。該論文得到了國家自然科學基金的經費支持。
論文連結：
https://www.pnas.org/content/early/2019/03/12/1817309116
供稿：航院 編輯：李華山 審核：周襄楠