科学家用纳米级“积木”搭出超强材料

速读：高超、许震团队经过长期研究，在一次“意外”的探索实验中，采用低温氧化策略成功制备出表面具有丰富折叠结构的新型多层氧化石墨烯片。该膜的拉伸强度能够达到2.9吉帕，韧性达到84.5兆焦每立方米，并具有高达5%的弹性应变，实现了强度、韧性和弹性的协同提升，打破了传统层状材料力学性能的纪录。基于此，团队提出“shear-lock（剪切互锁）”力学模型，实现强度与韧性的协同提升，并拓展了材料在大应变、高应力下的弹性性能。

本报讯（记者崔雪芹）近日，浙江大学副教授许震、教授高超团队与清华大学教授徐志平团队合作，在石墨烯膜中发现了“层间折叠卡扣”的新结构与新机制，首次实现了石墨烯膜的高强、高韧与高弹性“三合一”性能突破。相关研究成果发表于《自然》。

高超、许震团队经过长期研究，在一次“意外”的探索实验中，采用低温氧化策略成功制备出表面具有丰富折叠结构的新型多层氧化石墨烯片。这种材料具有独特的内外差异结构：表层形成折叠条带，内部则保留石墨的有序堆叠结构。该纳米片平均厚度为9.1纳米，表面折叠厚度在2纳米左右。

与传统平直堆叠不同，这些折叠结构能够在层间形成软的“机械卡扣”，使材料在受力时能够发生可逆的弹性形变且有效阻止层间滑移失效。团队以此为“积木单元”，组装出层间彼此咬合的石墨烯膜。该膜的拉伸强度能够达到2.9吉帕，韧性达到84.5兆焦每立方米，并具有高达5%的弹性应变，实现了强度、韧性和弹性的协同提升，打破了传统层状材料力学性能的纪录。

联合团队通过力学计算和分子模拟发现，材料受拉时相邻折叠逐渐接触并相互挤压，将部分“拉力”转化为层间“推力”，形成“Pull-to-Push（由拉转推）”的力链转换。基于此，团队提出“shear-lock（剪切互锁）”力学模型，实现强度与韧性的协同提升，并拓展了材料在大应变、高应力下的弹性性能。

据研究人员介绍，联合团队首次实现在单个二维片层中构筑原子尺度空间折叠构型，制备出表层折叠、芯层规整堆叠的新型多层石墨烯片，并以此作为组装基元，实现从“平面堆叠”向“空间构型组装”的转变，为二维片层材料的空间构型设计开辟了新范式。团队还打破了传统二维材料强度与韧性力学性能的边界，构筑出兼具高强度、高韧性和高弹性的石墨烯薄膜。该薄膜展现出优异的综合力学性能，为航空航天轻量化结构、高性能复合材料及抗冲击防护装备等领域提供了新的材料设计思路。