近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授俞書宏課題組與吳恒安課題組合作，在超彈性耐疲勞碳納米組裝體材料的仿生設(shè)計(jì)制備研究方面取得新進(jìn)展。研究成果發(fā)表在9月27日的《自然-通訊》（Nature Communications）上。

輕質(zhì)低密度和可壓縮型耐疲勞結(jié)構(gòu)材料具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。可壓縮性、回彈性和抗疲勞性能是決定這類材料性能和應(yīng)用的主要因素。為了提高這些性能指標(biāo)，研究人員一直致力于探索各種新策略，主要包括設(shè)計(jì)特殊的多孔結(jié)構(gòu)，或采用柔性而強(qiáng)健的結(jié)構(gòu)組分。目前，盡管材料的可壓縮性已經(jīng)達(dá)到較高水平，但是如何實(shí)現(xiàn)其在高應(yīng)變壓縮循環(huán)過程中的快速回彈以及較小的能量損失，并保持其結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定卻一直面臨著巨大挑戰(zhàn)。通常，可壓縮性、回彈性及抗疲勞性能很難在一種材料中同時(shí)達(dá)到較優(yōu)水平。這是因?yàn)樵诜磸?fù)的高應(yīng)變壓縮過程中，其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)往往由于不能有效地適應(yīng)較大的應(yīng)力和應(yīng)變，會(huì)不可避免地發(fā)生永久性受損或斷裂，而這些結(jié)構(gòu)破壞必將導(dǎo)致較大能量損耗，并造成材料的永久性塑性形變和壓縮強(qiáng)度的顯著降低。因此，合理的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)解決這一難題具有重要意義。

俞書宏課題組的研究人員受人類足弓等常見宏觀彈性拱結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，成功制備了一種具有微觀層狀連拱結(jié)構(gòu)的宏觀尺度碳納米組裝體材料。該材料由脆性易碎的組分（無定型碳-石墨烯復(fù)合物）構(gòu)筑而成，但其同時(shí)展現(xiàn)出高度可壓縮性（垂直層方向壓縮90%形變后完全恢復(fù)原狀，與國(guó)際現(xiàn)有水平相當(dāng)）、超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠(yuǎn)高于國(guó)際已報(bào)道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子約0.2，明顯低于國(guó)際上已報(bào)道材料0.3~0.8的平均水平）、超強(qiáng)抗疲勞性能（20%應(yīng)變循環(huán)壓縮106次，優(yōu)于國(guó)際已報(bào)道15%應(yīng)變循環(huán)壓縮0.5×106次和6%應(yīng)變循環(huán)壓縮106次的水平）。

此類具有層狀微拱結(jié)構(gòu)的碳納米組裝體材料因其優(yōu)越的超彈性耐疲勞性能及其耐高低溫能力，有望在特種條件下的力學(xué)傳感和探測(cè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。該研究還表明，現(xiàn)有成熟的宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)材料的微觀結(jié)構(gòu)同樣具有指導(dǎo)意義。