高超教授團隊設（shè）計製備出高度可拉（lā）伸的全碳氣凝（níng）膠彈性體

高超教授團隊設計製備出高度可拉伸（shēn）的全碳氣（qì）凝膠彈性體

玻璃、陶瓷這樣的無機材料通常都是又脆又硬（yìng）的，沒有什麽彈性，而橡膠這類的有機材料韌性（xìng）好（hǎo），彈（dàn）性足，可以反複拉伸。如何讓無機材料變得像有機（jī）材料那樣可以回彈，是世界很多科學家的（de）努（nǔ）力目標。


這其中就（jiù）有浙江大學高分子科（kē）學與工程學係的高超教授團隊。最近（jìn），他們的研究取得了突破性進展，設計製備出了高度可拉（lā）伸的全碳氣（qì）凝膠彈性體，並且表現出優異的性（xìng）能（néng），今後有望應用（yòng）在（zài）柔性器件、智能機器（qì）人及航空航天等多個領域。

論文（wén）發表在（zài）國際著名期刊《自然通（tōng）訊》，共同（tóng）第一作者為博士生郭凡、薑炎秋，通訊作者為許震（zhèn）特聘研究員、高超（chāo）教授。


打破物質的本性


材料科學的發展一直與人類文（wén）明密切相關。現如今我們已經擁有了各種各樣的材料。可是讓（ràng）科學（xué）家煩（fán）惱的是（shì），無機材料耐高低溫但沒有彈性，有機材料有彈性卻又不耐高低溫。


如果能研究出一種無機材料，在保持耐高低溫的同時具備（bèi）一定的彈性，該多好啊。“這（zhè）樣就能擴大材料的使用範圍。我們做科學研究就是要打破物質的本（běn）性，這（zhè）樣才能發現新性能（néng），尋找新用途。”


研究團隊在研製這一新（xīn）材料時，聚焦的無機物材料為碳。因為（wéi）碳所特有的導電性（xìng）能，為未來應用（yòng）提供了更多可能性。他們發現，高分子彈性體，比如橡膠，分子（zǐ）是鏈狀結構，就像柔軟的棉線團，有很多纏結（jié）的地方可以被拉開，當外力（lì）去除，這些高分子（zǐ）的（de）“棉線”又重新（xīn）纏結變成線團。無機物之所以（yǐ）不能拉長再（zài）回彈，就是因為（wéi）沒有相似的結構。


這時候，高超團隊搬出了他們的研究老夥伴（bàn），石墨烯。他們希望能在“一片片”的石墨烯中製造出（chū）一些（xiē）褶皺，將高分子的（de）可拉伸“線團結構”拓展成為石墨烯中可拉伸的“紙團結構”，來提（tí）高石墨烯的延展性。


團隊借鑒生（shēng）物學理念，從肌肉和（hé）關節的拉伸中尋（xún）找答（dá）案，設計出類似傳統拉縮式燈籠的結構，並用3D技術打印出（chū）來，通過限位壓縮定（dìng）型，形成一些“褶皺”。這時候（hòu），石墨烯材料可以拉伸100%。

繼（jì）續拉伸，石墨烯的“一片片”分子結構之間就會出現裂（liè）紋。怎麽（me）辦？團隊引入（rù）了另外（wài）一種納米材料——碳納米管，在石墨烯的片層之（zhī）間打上（shàng）“補丁”。這樣一來，石墨烯就可以拉伸200%了。


高超教授（shòu）說，這種全碳氣凝膠彈性（xìng）體具有優異（yì）的抗疲勞性能，在拉（lā）伸200%的狀態（tài）下，可穩定循環至少100圈；在100Hz、1%應變的（de）狀態下（xià），可穩定循環至少百萬次。“之前一些研究是在有機材料（liào）上塗一層無機材料，以此來實現可拉伸。我們這套方法是改變了材料的本身特性。”


對（duì）於這一新型材料的未來發展前景，高超教（jiāo）授表示，可以（yǐ）應用到與仿真機（jī）器人相關（guān）的導電彈性體上，比（bǐ）如電子皮膚等等。“更大的（de）意義，我（wǒ）們希望（wàng）開拓一個新的研究領（lǐng）域。當大家都在研究氣凝膠的壓（yā）縮性能時，我們希望換一種思路，從拉伸這個方向開展研究。”

高超團隊與石墨烯的（de）情緣已（yǐ）有十年之久。


“石墨烯（xī）本身是一個‘很小’的（de）材料。國際科研領域已經對（duì）它的（de）納米級結構分析得非常透徹了，我們想看看，把它組裝起來變‘大’後會怎麽樣。”10年前的2008年，高超被引進加入浙大高分子（zǐ）係後（hòu），為自己（jǐ）定了一個清（qīng）晰的全新研究方向（xiàng）——石墨烯宏觀組裝。


他用（yòng）一首兒歌來解釋這項研究。“秋天到了，一行大雁往南飛，一會排成一字（zì）形一（yī）會排成人字形。”當（dāng）一群大雁在飛行時，我們一（yī）眼就能看出雁群的形狀（zhuàng），反倒是一隻大雁在空中飛的時候（hòu），我們很難看清楚它的結構。


通過群效應團隊（duì）發現了氧化石墨烯的液晶現（xiàn）象。在一次實驗中（zhōng），團隊（duì）成（chéng）員把氧（yǎng）化石墨烯（xī）倒進一個杯子，偶然對著光一晃，發現杯中出現了彩色帶（dài）。這是什（shí）麽原因（yīn）呢（ne）？團隊順藤摸（mō）瓜，發現氧化石墨烯在溶液中的濃（nóng）度（dù）達到某個臨界值（zhí）時（shí），會自發進行取向排列，不但可以流動還高（gāo）度有序。


又有一次實驗，成（chéng）員把兩條氧化石墨烯纖維放在一起，過了一會兒，這（zhè）兩（liǎng）條纖維居然“焊”在一起了。原來氧化石墨（mò）烯有一種“自融合”的本領。


從這兩大發現出發，團隊“倒騰”出（chū）了四大發（fā）明：石墨烯纖維、石墨烯組裝膜、石墨（mò）烯泡沫、石墨烯無紡布，科研成果發表在《自然通訊》和《先進材料》等國（guó）際著名期刊上。


高超說（shuō），一流是要不斷奮鬥（dòu）出來的，“不是說做好一個工作就行，而是要（yào）不斷推進（jìn）”。在團隊建設中，高超也非常強調“一流”，認為要有一流的文化、一流（liú）的平台、一流的待遇，最終產出一流的成果。他經常跟學（xué）生說（shuō）：“科研首先要發奮，拚搏了才能有所發現，有所（suǒ）發明。還要努力讓科研成果轉化為對社（shè）會有用的（de）產品，讓科技發達起來，讓國家發達起來。”


從最（zuì）初的（de）幾個人，到現在的幾十人，高超團隊也從（cóng）“一隻（zhī）大雁（yàn）”發展到了“一群大雁”。對於過去沒錢買（mǎi）研究設備的窘況記憶猶新，對於未來，高超說，他會堅持在首創、極致（zhì）和影響力三個層麵上繼續努力（lì）。

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