雕刻技術是人類智慧的瑰寶，無論是隨處可見的木頭、石材和獸骨，還是稀有的金屬與玉石，經過人類的雕琢就可以成為實用的工具或者價值不菲的藝術品。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異的力學與導電導熱性質，但現有的加工手段限制了其進一步的應用。如果可以將雕刻技術應用于石墨烯氣凝膠，將賦予石墨烯更多的功能性與價值。然而，石墨烯氣凝膠自身較弱與軟的性質限制了傳統雕刻方法的使用，同時，傳統雕刻與其他塑形方法的精度也無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構決定著其本征的力學性能，過于薄與弱的石墨烯壁無法承載石墨烯氣凝膠在變形過程中的應力需求，很容易出現微觀屈曲并伴隨永久形變，最終導致形狀無法恢復。
圖1 a傳統木雕生產的生活用品以及藝術品，b快速激光加工成型石墨烯氣凝膠過程，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組裝的鷹樣品。
近日，清華大學曲良體教授團隊與福州大學吳明懋副教授等合作，通過快速激光雕刻與微觀剛度增強的方法，制備了一種超彈的石墨烯“超凝膠”（GmA）。微觀剛度增強采用一維納米纖維與二維石墨烯壁互鎖的結構，構造出了一種連續可靠的長程穩定結構，這也是自然界中最有效的增強增韌方式，由此構造的GmA在經歷1000次50%的壓縮應變后，應力保持率可以維持在95%，原始形狀也沒有任何改變，其耐壓縮能力遠超原始的石墨烯氣凝膠（PGA）與大部分的碳氣凝膠。通過密度泛函計算與分子動力學模擬，其微觀剛度增強的機制也被詳細的證明，一維納米纖維與二維石墨烯壁互鎖的結構可以有效增強石墨烯壁的彎曲剛度，因此，在形變過程中，GmA的石墨烯壁更易于發生整體的形變，有利于能量的均勻耗散，而PGA的石墨烯壁較弱，很容易發生微觀屈曲，導致永久形變的發生。
圖2 a GmA制備流程，b 經過壓縮后的GmA的應力與應變保持率與文獻對比圖，c 理論模擬與實驗結果經過歸一化后壓縮的相對應變能與應變關系圖，d 石墨烯骨架彎曲剛度與納米纖維初始密度的關系圖。
基于GmA優異的力學性能，通過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GmA塑形，形成蛇形、品字形、螺旋形的GmA結構，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構，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僅通過靜電力就可以克服自身重力，同時還具有優秀的耐壓縮能力。經過力學結構的設計，激光亦可以賦予GmA不同的泊松比（?0.95 < v < 1.64），其范圍超越了過去文獻報道的不同方法。
圖3 a 激光雕刻的GmA不同中空結構與比重，b 通過靜電力吸附在打印紙上的超輕GmA，c 超輕GmA經過50次80%應變的壓縮循環照片，d不同泊松壁的GmA在壓縮過程中的快照，e 不同泊松比的GmA的有限元分析圖，f不同泊松壁的GmA在壓縮過程中的應變與泊松比關系圖。
這一成果有效地構建了微觀結構增強的石墨烯氣凝膠，并利用激光快速雕刻的方式形成了功能性豐富的GmA，為烯碳材料的進一步應用提供了理論指導與技術基礎，該文章近期發表在Nature Communications上。
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