俞书宏传授团队受蜘蛛网开导造备超弹性硬碳气凝胶

碳质料可按碳原子杂化轨道的差别大抵可分为石墨碳、软碳和硬碳。软碳和硬碳重要用于形貌聚合物热解制备的碳质料，在热解历程中，一些碳原子重组成二维芳族石墨烯片，假如这些石墨烯片大抵平行，在高温下则简单石墨化，这种碳被称为软碳；假如这些石墨烯片随机堆叠并通过边沿碳原子交联，高温下不克不及石墨化，这种碳则称为硬碳。通常来说，石墨碳和软碳具有高弹性，简单变形，但是强度较低；因为大量sp3-C引起的硬碳微观上乱层“纸牌屋”布局的存在，硬碳质料在机器强度和布局稳健性方面展示出极大的上风，但是本征性子较脆且易碎。怎样将硬碳质料制备成超弹性块材是现在面对的一个挑衅。

近来，中国科学技能大学俞书宏传授向导的课题组受天然界蜘蛛网同时具有高强度和弹性的开导，奇妙通过模板法修筑纳米纤维网络布局，制备了一系列具有纳米纤维网络布局的硬碳气凝胶。该系列气凝胶具有超弹性、抗委顿以及稳健性好等长处。研究论文以“Superelastic hard carbon nanofiber aerogels”为题近期颁发在《先辈质料》上（Advanced Materials 2019, 1900651），并当选为被封底论文。论文的配合第一作者为我校博士后于志龙和博士生秦冰。

图1.硬碳气凝胶的制备。（a）表示图，评释通过利用纳米线作为模板的通用合成要领；（b）以[email protected]为例，宏量合成RF纳米纤维水凝胶；（c）硬碳气凝胶SEM图像；（d）表现纳米纤维网状布局和纤维-纤维的焊接点。

研究职员通过利用间苯二酚-甲醛（RF）树脂作为硬碳源，以多种一维纳米纤维作为布局模板制备RF的纳米纤维气凝胶，通过高温碳化即可得到超弹性硬碳气凝胶。这种硬碳气凝胶微观布局精致，由大量的纳米纤维和纳米纤维之间的焊接点组成（图1）。这种要领简洁高效，简单放大生产，通过调治模板与树脂单体的添加量，可轻便地调控纳米纤维的直径、气凝胶的密度、机器性能等。

与传统硬而脆的硬碳块材差别，这种硬碳气凝胶体现出优秀的弹性性能（图2），重要包罗：布局稳健性（在压缩50%之后，微观布局依旧能规复）；高回弹速率（860 mm s^-1），高于浩繁石墨碳基的弹性质料；低能量消耗系数（<0.16），一般石墨及软碳材料内部存在的分子间作用力，会造成粘附力和摩擦力从而耗散很多能量；抗疲劳性，在50%应变下测试104个循环后，碳气凝胶仅显示2%的塑性变形，并保持93%的初始应力。研究人员还探索了这种硬碳气凝胶在弹性导体方面的应用，在50%的应变下多次压缩循环后，电阻几乎不变，展示出稳定的机械-电学性能，同时可以在苛刻的条件下（例如在液氮中）保持超弹性及电阻稳定性。

图2.碳气凝胶的机器性能。（a）[email protected]气凝胶的原位SEM；（b）差别质料能量消耗系数的比拟；（c）差别质料回弹速率的比拟；（d）碳气凝胶差别轮回下的应力-应变曲线

基于其优秀的机器性能，这种硬碳气凝胶有望在应用于具有高稳健性、大量程（50 KPa）、可拉伸或可弯曲的应力传感器。别的，这种要领可扩展到制备其他非碳基复合纳米纤维气凝胶，为以后提供了一种通过设计纳米纤维的微观布局将刚性质料变化成弹性或柔性质料的新途径。

该项研究受到国度天然科学基金委创新研究群体、国度天然科学基金重点项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、中国科学院纳米科学杰出创新中间、苏州纳米科技协同创新中间等的资助。

文章链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900651

泉源：中国科学技能大学