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雕刻技术是人类智慧的瑰宝，无论是随处可见的木头、石材和兽骨，还是稀有的金属与玉石，经过人类的雕琢就可以成为实用的工具或者价值不菲的艺术品。作为新兴的烯碳材料，石墨烯气凝胶具有超高的比表面积以及优异的力学与导电导热性质，但现有的加工手段限制了其进一步的应用。如果可以将雕刻技术应用于石墨烯气凝胶，将赋予石墨烯更多的功能性与价值。然而，石墨烯气凝胶自身较弱与软的性质限制了传统雕刻方法的使用，同时，传统雕刻与其他塑形方法的精度也无法满足微纳加工的尺寸需求。另一方面，石墨烯气凝胶自身的微观结构决定着其本征的力学性能，过于薄与弱的石墨烯壁无法承载石墨烯气凝胶在变形过程中的应力需求，很容易出现微观屈曲并伴随永久形变，最终导致形状无法恢复。
图1.（a）传统木雕生产的生活用品以及艺术品，（b）快速激光加工成型石墨烯气凝胶过程，（c）激光雕刻石墨烯气凝胶牡丹花样品，（d）激光雕刻石墨烯气凝胶可重复组装的鹰样品。
近日，清华大学的曲良体教授团队与福州大学吴明懋副教授等合作，通过快速激光雕刻与微观刚度增强的方法，制备了一种超弹的石墨烯“超凝胶”（GmA）。微观刚度增强采用一维纳米纤维与二维石墨烯壁互锁的结构，构造出了一种连续可靠的长程稳定结构，这也是自然界中最有效的增强增韧方式，由此构造的GmA在经历1000次50%的压缩应变后，应力保持率可以维持在95%，原始形状也没有任何改变，其耐压缩能力远超原始的石墨烯气凝胶（PGA）与大部分的碳气凝胶。通过密度泛函计算与分子动力学模拟，其微观刚度增强的机制也被详细的证明，一维纳米纤维与二维石墨烯壁互锁的结构可以有效增强石墨烯壁的弯曲刚度，因此，在形变过程中，GmA的石墨烯壁更易于发生整体的形变，有利于能量的均匀耗散，而PGA的石墨烯壁较弱，很容易发生微观屈曲，导致永久形变的发生。
图2.（a）GmA制备流程，（b）经过压缩后的GmA的应力与应变保持率与文献对比图，（c）理论模拟与实验结果经过归一化后压缩的相对应变能与应变关系图，（d）石墨烯骨架弯曲刚度与纳米纤维初始密度的关系图。
基于GmA优异的力学性能，通过激光雕刻可以快速加工出具有丰富功能性的GmA，例如，激光可以轻易地对GmA塑形，形成蛇形、品字形、螺旋形的GmA结构，赋予GmA可拉伸性。除此之外，激光可以将GmA雕刻成不同的中空结构，并不断减少其比重，甚至可以减少到0.1 mg cm?3，在这种情况下，GmA仅通过静电力就可以克服自身重力，同时还具有优秀的耐压缩能力。经过力学结构的设计，激光亦可以赋予GmA不同的泊松比（?0.95 < v < 1.64），其范围超越了过去文献报道的不同方法。
图3.（a）激光雕刻的GmA不同中空结构与比重，（b）通过静电力吸附在打印纸上的超轻GmA，（c）超轻GmA经过50次80%应变的压缩循环照片，（d）不同泊松比的GmA在压缩过程中的快照，（e）不同泊松比的GmA的有限元分析图，（f）不同泊松比的GmA在压缩过程中的应变与泊松比关系图。
这一成果有效地构建了微观结构增强的石墨烯气凝胶，并利用激光快速雕刻的方式形成了功能性丰富的GmA，为烯碳材料的进一步应用提供了理论指导与技术基础，该文章近期发表在Nature Communications 上。
Superelastic graphene aerogel-based metamaterials
Mingmao Wu, Hongya Geng, Yajie Hu, Hongyun Ma, Ce Yang, Hongwu Chen, Yeye Wen, Huhu Cheng, Chun Li, Feng Liu, Lan Jiang, Liangti Qu
Nat. Commun., 2022, 13, 4561, DOI: 10.1038/s41467-022-32200-8
导师介绍
曲良体
https://www.x-mol.com/university/faculty/60338
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