首款石墨烯“太空海綿”高溫1000℃低溫-269℃都能“扛得住”

　　據(jù)南開新聞網(wǎng)報道，經(jīng)過多年持續(xù)攻關(guān)，南開大學化學學院教授陳永勝團隊聯(lián)合美國萊斯大學，于2019年4月份研究制得了一種新型三維石墨烯材料。該材料能夠承受4K(約-269℃)到1273K(約1000℃)的溫度區(qū)間，且能夠保濕良好的穩(wěn)定性和高彈性，有望成為航天裝備制造領(lǐng)域的“太空海綿”，相關(guān)研究結(jié)果于2019年4月12日發(fā)表于《科學進展》(Science Advances)。

　　     高彈性材料是一類具有較大可逆形變能力的材料，例如常見的橡膠、聚合物泡沫材料等，已廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)、生活。新型高彈性材料在諸如可穿戴設(shè)備、人工肌肉、傳感器等高端研究、技術(shù)領(lǐng)域具有極大應(yīng)用前景。

　　     然而，幾乎目前所有高彈性材料的彈性及其他力學性能都受溫度影響。例如，硅橡膠在高溫條件下軟化或分解；相反地，隨溫度降低逐漸喪失彈性，發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變而變硬、變脆。同樣的問題也存在于高彈聚合物的泡沫或海綿材料。

　　這種“太空海綿”材料由無序排列的單層石墨烯片通過共價鍵化學交聯(lián)而構(gòu)成，在低至液氦溫區(qū)的極端低溫條件下具有與室溫下相同的力學性能，包括高度可回復(fù)的超級彈性，不變的楊氏模量(描述固體材料抵抗形變能力的物理量)，近零泊松比(反映材料橫向變形的彈性常數(shù))以及出色的抗疲勞性能。

　　     團隊研究人員指出，目前，尚無任何其他材料具有此種低溫超級彈性性能以及4K至1273K溫度范圍內(nèi)不受溫度影響的彈性及力學性能的報道。

　　通過自主搭建的力學性能測試系統(tǒng)，陳永勝團隊精確、系統(tǒng)地測試了在4-1273K(約-269℃至1000℃)溫度范圍內(nèi)三維石墨烯材料的各項力學性能；利用團隊改造的掃描電子顯微鏡和原位變溫樣品臺，獲得了三維石墨烯材料在極端低溫和高溫條件下壓縮-回彈過程中微觀結(jié)構(gòu)的變形特征；通過理論模型計算的驗證，闡明了這一新型材料溫度不變性源于石墨烯特有的sp2雜化的二維碳原子平面晶體結(jié)構(gòu)。

　　該研究團隊指出，在深低溫條件下,石墨烯和三維石墨烯材料顯著的力學穩(wěn)定性使其成為在外太空和其他極端低溫或惡劣環(huán)境中應(yīng)用的最佳研究對象。其它的二維納米材料，如果具有與石墨烯類似的結(jié)構(gòu)，例如石墨炔、硅烯、平面鍺以及二維Bi1—xSbx薄片，并將其作為結(jié)構(gòu)單元依照類似于三維石墨烯的方式組裝起來，得到的宏觀材料也有可能充分保留二維構(gòu)造單元獨特的性質(zhì)，并展現(xiàn)出宏觀的特異性能。

　　據(jù)悉，該項研究由南開大學陳永勝教授團隊和美國萊斯大學Pulickel Ajayan教授團隊合作完成，獲得了國家科技部、國家自然科學基金等支持。

　　論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/5/4/eaav2589