近日，中國科學技術大學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計制備研究方面取得新進展。研究成果發表在9月27日的《自然-通訊》（Nature Communications）上。
輕質低密度和可壓縮型耐疲勞結構材料具有極其重要的應用價值。可壓縮性、回彈性和抗疲勞性能是決定這類材料性能和應用的主要因素。為了提高這些性能指標，研究人員一直致力于探索各種新策略，主要包括設計特殊的多孔結構，或采用柔性而強健的結構組分。目前，盡管材料的可壓縮性已經達到較高水平，但是如何實現其在高應變壓縮循環過程中的快速回彈以及較小的能量損失，并保持其結構與性能的穩定卻一直面臨著巨大挑戰。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達到較優水平。這是因為在反復的高應變壓縮過程中，其內部微結構往往由于不能有效地適應較大的應力和應變，會不可避免地發生永久性受損或斷裂，而這些結構破壞必將導致較大能量損耗，并造成材料的永久性塑性形變和壓縮強度的顯著降低。因此，合理的微結構設計對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構的啟發，通過巧妙的實驗設計，成功制備了一種具有微觀層狀連拱結構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-石墨烯復合物）構筑而成，但其同時展現出高度可壓縮性（垂直層方向壓縮90%形變后完全恢復原狀，與國際現有水平相當）、超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠高于國際已報道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子約0.2，明顯低于國際上已報道材料0.3~0.8的平均水平）、超強抗疲勞性能（20%應變循環壓縮106次，優于國際已報道15%應變循環壓縮0.5×106次和6%應變循環壓縮106次的水平）。
此類具有層狀微拱結構的碳納米組裝體材料因其優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傳感和探測等領域獲得應用。該研究還表明，現有成熟的宏觀結構設計對于設計材料的微觀結構同樣具有指導意義。
該工作得到了國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點基金、國家重大科學研究計劃、中科院重點部署項目、中科院前沿科學重點研究項目、蘇州納米科技協同創新中心、中科院納米科學卓越中心、合肥大科學中心卓越用戶基金的資助。
