超轻超弹耐极温！中国科学家研制有望用于外太空探测的“碳弹簧”

来源：新华社客户端

轻似海绵，弹性伸缩如弹簧，可耐从-100℃到350℃的极端温度……提起碳材料，人们往往会想起煤炭、石墨、金刚石，近期中国科学技术大学俞书宏院士团队受人类“足弓”和“弓 弩”等结构启发，研制出一种微结构如煎饼果子里的“薄脆”、名为“碳弹簧”的新型碳材料，被认为是制造智能磁性和振动传感器的理想材料，有望用于外太空探测。

碳以多种形式存在于地球，天然碳材料“刚而不柔”，优点是轻、硬、耐高温，缺点是脆。人工合成的多孔碳材料是国际研究热点，其中最出名的是石墨烯，多孔碳能导电，但“脆”仍制约其应用。

为了让多孔碳“刚柔并济”，俞书宏团队巧妙借鉴人类“足弓”结构。“人的脚是骨骼、肌腱、肌肉等组成的拱形结构，坚固、轻巧、弹性好，能承受压力、缓冲震荡，给我们启发。”俞书宏介绍，近期他们用双向冰模板技术，构筑出一种由“微拱结构”堆叠成的多孔碳材料。

图1多孔碳材料的制备及机械性能

为了获得碳弹簧，首先通过双向冷冻方法制备了由壳聚糖(CS)和氧化石墨烯(GO)组成的远程层状支架(图1)。在冷冻过程中，在CS-GO分散体中形成并平行生长的层状冰晶。不断增长的层状冰晶将成分推入它们的界面，形成最终的层状支架。高分辨率扫描电子显微镜(HRSEM)和透射电子显微镜(HRTEM)图像显示薄片由嵌入无定形碳中的皱巴巴的石墨烯形成复合结构。所制备的多孔碳材料的密度测量为约11mg cm-3，对应于约99.4%的孔隙率。具有长程片状结构的碳弹簧显示出较大的弹性拉伸性，破坏前的最大拉伸应变甚至为-80%。典型的碳弹簧可以在80%的压缩应变和-60%的拉伸应变下沿垂直于其薄片的方向弹回其原始形状，而不会出现明显的结构损坏。这种弹性行为类似于真正的金属弹簧。动态热机械分析进一步证实了碳弹簧保持相对稳定的弹性性能和优异的耐疲劳性。此外，作者通过有限元模拟证实，大的面外变形和弹性恢复是碳弹簧可逆压缩性和可逆拉伸性的机制。

经检测，这种新材料柔韧性极佳，被拉长至1.2倍或压缩至五分之一，仍可回弹复原，还可耐受从-100℃到350℃的温度，实现远超天然碳材料的超强性能。

图2碳弹簧的大可逆拉伸性的机制

研究人员将其命名为“碳弹簧”，并用它研制出新型磁性和振动传感器，前者可探测到0.4毫特斯拉的微小磁场，后者可检测每秒1000次、振幅0.5%的高频微小振动，包括模拟地震波。

“这两种传感器能在极温下工作，使其应用于外太空探测成为可能。”中科大副研究员高怀岭展望说，比如探测地外星球的磁场强度、地壳运动、地质结构等。

有趣的是，通过原位扫描电镜观察，“碳弹簧”内部的“波浪形”层叠结构，很像煎饼果子里的薄脆。为何薄脆很“脆”，“碳弹簧”却很韧?据悉，“碳弹簧”的内部微拱形单元厚度仅约100纳米，跨度却达到约100微米，上千倍的“跨度厚度比”，是其“刚柔并济”的秘密所在。相关工作以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetis m Sensors”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。