雕刻技術(shù)是人類智慧的瑰寶，無(wú)論是隨處可見(jiàn)的木頭、石材和獸骨，還是稀有的金屬與玉石，經(jīng)過(guò)人類的雕琢就可以成為實(shí)用的工具或者價(jià)值不菲的藝術(shù)品。作為新興的烯碳材料，石墨烯氣凝膠具有超高的比表面積以及優(yōu)異的力學(xué)與導(dǎo)電導(dǎo)熱性質(zhì)，但現(xiàn)有的加工手段限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。如果可以將雕刻技術(shù)應(yīng)用于石墨烯氣凝膠，將賦予石墨烯更多的功能性與價(jià)值。然而，石墨烯氣凝膠自身較弱與軟的性質(zhì)限制了傳統(tǒng)雕刻方法的使用，同時(shí)，傳統(tǒng)雕刻與其他塑形方法的精度也無(wú)法滿足微納加工的尺寸需求。另一方面，石墨烯氣凝膠自身的微觀結(jié)構(gòu)決定著其本征的力學(xué)性能，過(guò)于薄與弱的石墨烯壁無(wú)法承載石墨烯氣凝膠在變形過(guò)程中的應(yīng)力需求，很容易出現(xiàn)微觀屈曲并伴隨永久形變，最終導(dǎo)致形狀無(wú)法恢復(fù)。

圖1.（a）傳統(tǒng)木雕生產(chǎn)的生活用品以及藝術(shù)品，（b）快速激光加工成型石墨烯氣凝膠過(guò)程，（c）激光雕刻石墨烯氣凝膠牡丹花樣品，（d）激光雕刻石墨烯氣凝膠可重復(fù)組裝的鷹樣品。

近日，清華大學(xué)的曲良體教授團(tuán)隊(duì)與福州大學(xué)吳明懋副教授等合作，通過(guò)快速激光雕刻與微觀剛度增強(qiáng)的方法，制備了一種超彈的石墨烯“超凝膠”（GmA）。微觀剛度增強(qiáng)采用一維納米纖維與二維石墨烯壁互鎖的結(jié)構(gòu)，構(gòu)造出了一種連續(xù)可靠的長(zhǎng)程穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這也是自然界中最有效的增強(qiáng)增韌方式，由此構(gòu)造的GmA在經(jīng)歷1000次50%的壓縮應(yīng)變后，應(yīng)力保持率可以維持在95%，原始形狀也沒(méi)有任何改變，其耐壓縮能力遠(yuǎn)超原始的石墨烯氣凝膠（PGA）與大部分的碳?xì)饽z。通過(guò)密度泛函計(jì)算與分子動(dòng)力學(xué)模擬，其微觀剛度增強(qiáng)的機(jī)制也被詳細(xì)的證明，一維納米纖維與二維石墨烯壁互鎖的結(jié)構(gòu)可以有效增強(qiáng)石墨烯壁的彎曲剛度，因此，在形變過(guò)程中，GmA的石墨烯壁更易于發(fā)生整體的形變，有利于能量的均勻耗散，而PGA的石墨烯壁較弱，很容易發(fā)生微觀屈曲，導(dǎo)致永久形變的發(fā)生。

圖2.（a）GmA制備流程，（b）經(jīng)過(guò)壓縮后的GmA的應(yīng)力與應(yīng)變保持率與文獻(xiàn)對(duì)比圖，（c）理論模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過(guò)歸一化后壓縮的相對(duì)應(yīng)變能與應(yīng)變關(guān)系圖，（d）石墨烯骨架彎曲剛度與納米纖維初始密度的關(guān)系圖。

基于GmA優(yōu)異的力學(xué)性能，通過(guò)激光雕刻可以快速加工出具有豐富功能性的GmA，例如，激光可以輕易地對(duì)GmA塑形，形成蛇形、品字形、螺旋形的GmA結(jié)構(gòu)，賦予GmA可拉伸性。除此之外，激光可以將GmA雕刻成不同的中空結(jié)構(gòu)，并不斷減少其比重，甚至可以減少到0.1 mg cm?3，在這種情況下，GmA僅通過(guò)靜電力就可以克服自身重力，同時(shí)還具有優(yōu)秀的耐壓縮能力。經(jīng)過(guò)力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，激光亦可以賦予GmA不同的泊松比（?0.95 《 v 《 1.64），其范圍超越了過(guò)去文獻(xiàn)報(bào)道的不同方法。

圖3.（a）激光雕刻的GmA不同中空結(jié)構(gòu)與比重，（b）通過(guò)靜電力吸附在打印紙上的超輕GmA，（c）超輕GmA經(jīng)過(guò)50次80%應(yīng)變的壓縮循環(huán)照片，（d）不同泊松比的GmA在壓縮過(guò)程中的快照，（e）不同泊松比的GmA的有限元分析圖，（f）不同泊松比的GmA在壓縮過(guò)程中的應(yīng)變與泊松比關(guān)系圖。

這一成果有效地構(gòu)建了微觀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的石墨烯氣凝膠，并利用激光快速雕刻的方式形成了功能性豐富的GmA，為烯碳材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)與技術(shù)基礎(chǔ)，該文章近期發(fā)表在Nature Communications 上。

Superelastic graphene aerogel-based metamaterials

Mingmao Wu， Hongya Geng， Yajie Hu， Hongyun Ma， Ce Yang， Hongwu Chen， Yeye Wen， Huhu Cheng， Chun Li， Feng Liu， Lan Jiang， Liangti Qu

Nat. Commun.， 2022， 13， 4561， DOI： 10.1038/s41467-022-32200-8

審核編輯 ：李倩