在浙江大學(xué)的一間實(shí)驗(yàn)室里，兩個(gè)不銹鋼“鐵掌”之間，幾片氣凝膠被壓縮到薄薄一張紙的厚度，形變達(dá)到99%。神奇的是，即便經(jīng)歷這樣數(shù)萬次的壓縮，氣凝膠每一次都能重新支棱起來，彈回原來的形狀。對于傳統(tǒng)氣凝膠來說，這樣的壓縮足以讓其“粉身碎骨”，而浙江大學(xué)教授高超團(tuán)隊(duì)通過改變氣凝膠內(nèi)部的氣孔形狀，讓材料從脆變彈。

多種類型的微穹頂氣凝膠堆疊。浙江大學(xué)供圖

這是高超團(tuán)隊(duì)10余年來探索的成果。他們成功制備出具有微穹頂結(jié)構(gòu)的高彈氣凝膠，其耐熱能力突破2000攝氏度（2273開爾文）大關(guān)，在反復(fù)擠壓下依然保持輕盈高彈、性能穩(wěn)定。

“此項(xiàng)突破不僅為氣凝膠產(chǎn)業(yè)注入了高效、普適的新型制備范式，還打通了極端溫度環(huán)境應(yīng)用的全新路徑?！备叱嬖V《中國科學(xué)報(bào)》。

這一顛覆性成果源于一種全新的氣凝膠構(gòu)筑方法——氧化石墨烯基二維通道受限發(fā)泡法。這是一種簡便并且通用的制備方法。研究團(tuán)隊(duì)采用這一路線制備了數(shù)百種氣凝膠，它們都具有獨(dú)特的隔熱能力和高彈性，有望在深空探測器、超音速飛行器、核聚變裝置中提供熱防護(hù)。相關(guān)研究論文7月18日發(fā)表于《科學(xué)》。

讓氣凝膠“彈”起來

氣凝膠是世界上最輕的材料之一，素有“凝固的煙”之稱。氣凝膠中90%以上都是微納米級的氣孔，通常呈蜂窩或拱形結(jié)構(gòu)，而高超團(tuán)隊(duì)則引入了穹頂結(jié)構(gòu)。

“傳統(tǒng)氣凝膠中的孔隙結(jié)構(gòu)大多有棱有角，而我們的孔隙是微米級的穹頂曲面。”論文共同第一作者、浙江大學(xué)先進(jìn)技術(shù)研究院專職研究員龐凱說，穹頂結(jié)構(gòu)常見于生物體和建筑工程中，以卓越的承載能力和機(jī)械穩(wěn)定性著稱?！按娣烹u蛋的槽孔也是穹頂形狀，它能夠更好地抵消外部沖擊?！?/p>

高超團(tuán)隊(duì)與西安交通大學(xué)教授劉益?zhèn)悎F(tuán)隊(duì)合作，揭示了穹頂結(jié)構(gòu)不可展曲面特性會形成豐富的可恢復(fù)褶皺，這能讓材料儲存更多的彈性應(yīng)變能。

計(jì)算機(jī)仿真模擬顯示，微穹頂結(jié)構(gòu)的彈性應(yīng)變能存儲能力至少是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的10倍，從而讓氣凝膠展現(xiàn)彈性抗壓的特性。高超認(rèn)為，這一結(jié)構(gòu)代表了多孔材料領(lǐng)域全新的曲率設(shè)計(jì)理念，可啟發(fā)創(chuàng)制更多新材料。

在“夾縫”中構(gòu)筑氣泡

微穹頂氣泡是用一種全新的制備方法構(gòu)筑的，靈感來源于“大象牙膏”實(shí)驗(yàn)：過氧化氫在催化劑的作用下加速分解產(chǎn)生氧氣，大量氣體與發(fā)泡劑混合后形成泡沫噴涌而出，仿佛伸出燒杯的大象鼻子。

“我們提出了二維通道受限發(fā)泡的方法，讓產(chǎn)氣發(fā)泡過程發(fā)生在氧化石墨烯夾層之間?！备叱榻B，二維氧化石墨烯具有豐富的含氧功能基團(tuán)，能高效捕捉金屬離子，防止層間金屬離子脫出。常溫常壓下加入發(fā)泡劑后，大量球形氣泡在一層層氧化石墨烯之間成核、涌出，留下了微穹頂結(jié)構(gòu)的氣孔。

“這個(gè)過程就像做面包，面包切面上的氣孔就是酵母呼吸作用產(chǎn)生的二氧化碳留下的?！饼媱P說，這種二維通道受限發(fā)泡的方法操作簡單，整個(gè)過程不需要高能耗的冷凍干燥或超臨界干燥技術(shù)，也不依賴復(fù)雜昂貴的設(shè)備。

高超團(tuán)隊(duì)長期致力于石墨烯氣凝膠材料的研究。2013年，團(tuán)隊(duì)制備的石墨烯碳?xì)饽z創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)世界最輕材料的紀(jì)錄。多年來，高超團(tuán)隊(duì)一直將制備方法的探索作為重點(diǎn)，他們認(rèn)為這是氣凝膠從實(shí)驗(yàn)室走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵。

論文共同通訊作者、浙江大學(xué)長聘副教授許震說，二維通道受限發(fā)泡的方法具有很大的普適性。石墨烯可與金屬、氧化物、碳化物等各種物質(zhì)組成雜化氣凝膠，涵蓋121種氧化物、38種碳化物及35種金屬體系，大大擴(kuò)展了氣凝膠種類。此外，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了高熵材料組分的可控設(shè)計(jì)，其組分可調(diào)至含有多達(dá)30種元素的高熵態(tài)。

“我們希望它能成為一個(gè)材料家族的創(chuàng)新平臺，從單一組分到高熵組分，從導(dǎo)電金屬到絕緣陶瓷，從透明、黑白到彩色等。”高超說。

耐熱超過2000攝氏度

距離太陽610萬公里處，美國帕克太陽探測器創(chuàng)造了史上距離太陽表面最近的紀(jì)錄。高溫是限制其離太陽再近一些的最大障礙，相關(guān)資料顯示，其現(xiàn)有隔熱罩可耐受1650攝氏度的高溫。

那么，有沒有一種材料能夠耐受更高溫度呢？

高超團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的“烯陶”氣凝膠可能具備這種能力。它一半是陶瓷、一半是石墨烯，是兩者在原子層面的二維雜化。它不像普通陶瓷那樣易碎，而是柔軟、有彈性。實(shí)驗(yàn)顯示，烯陶氣凝膠在寬溫域范圍具有突出的力學(xué)彈性，不僅常溫下能被反復(fù)壓縮，在4.2開爾文（-268.8攝氏度）深冷至2273開爾文（2000攝氏度）超高溫環(huán)境中仍能保持99%彈性應(yīng)變。

論文共同通訊作者、浙江大學(xué)研究員劉英軍解釋說，“烯陶”中的石墨烯顯著抑制了二維陶瓷的高溫重結(jié)晶過程，同時(shí)二維陶瓷有效防止了石墨烯片層的超高溫滑移。

更令人欣喜的是，研究團(tuán)隊(duì)制備的高熵氣凝膠在隔熱性能上更有優(yōu)勢，室溫下導(dǎo)熱率僅為13.4毫瓦/米·開爾文，是空氣的一半。他們制備的高熵氧化物氣凝膠、高熵碳化物烯陶氣凝膠在1273開爾文下為53.4毫瓦/米·開爾文，在2273開爾文下為171.1毫瓦/米·開爾文，且在2273開爾文的反復(fù)熱沖擊100次維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為極端溫度環(huán)境下的熱防護(hù)提供了新的材料選擇。

“我們相信二維通道受限發(fā)泡法會打開許多未知的多孔材料世界，其中有更多優(yōu)異性能及應(yīng)用場景等待我們發(fā)現(xiàn)?！备叱f，未來或許這種如煙卻堅(jiān)韌的新材料，能讓探測器更接近太陽；也許有一天，人們穿上它制成的熱防護(hù)服，能夠深入地球內(nèi)部，探索前所未見的奇異景觀