近日，中国科学技术大学教授俞书宏课题组与吴恒安课题组合作，在超弹性耐疲劳碳纳米组装体材料的仿生设计制备研究方面取得新进展。研究成果发表在9月27日的《自然-通讯》（Nature Communications）上。
轻质低密度和可压缩型耐疲劳结构材料具有极其重要的应用价值。可压缩性、回弹性和抗疲劳性能是决定这类材料性能和应用的主要因素。为了提高这些性能指标，研究人员一直致力于探索各种新策略，主要包括设计特殊的多孔结构，或采用柔性而强健的结构组分。目前，尽管材料的可压缩性已经达到较高水平，但是如何实现其在高应变压缩循环过程中的快速回弹以及较小的能量损失，并保持其结构与性能的稳定却一直面临着巨大挑战。通常，可压缩性、回弹性及抗疲劳性能很难在一种材料中同时达到较优水平。这是因为在反复的高应变压缩过程中，其内部微结构往往由于不能有效地适应较大的应力和应变，会不可避免地发生永久性受损或断裂，而这些结构破坏必将导致较大能量损耗，并造成材料的永久性塑性形变和压缩强度的显著降低。因此，合理的微结构设计对解决这一难题具有重要意义。
俞书宏课题组的研究人员受人类足弓等常见宏观弹性拱结构的启发，通过巧妙的实验设计，成功制备了一种具有微观层状连拱结构的宏观尺度碳纳米组装体材料。该材料由脆性易碎的组分（无定型碳-石墨烯复合物）构筑而成，但其同时展现出高度可压缩性（垂直层方向压缩90%形变后完全恢复原状，与国际现有水平相当）、超弹性（580 mm/s的回弹速度，远高于国际已报道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子约0.2，明显低于国际上已报道材料0.3~0.8的平均水平）、超强抗疲劳性能（20%应变循环压缩106次，优于国际已报道15%应变循环压缩0.5×106次和6%应变循环压缩106次的水平）。
此类具有层状微拱结构的碳纳米组装体材料因其优越的超弹性耐疲劳性能及其耐高低温能力，有望在特种条件下的力学传感和探测等领域获得应用。该研究还表明，现有成熟的宏观结构设计对于设计材料的微观结构同样具有指导意义。
该工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中科院重点部署项目、中科院前沿科学重点研究项目、苏州纳米科技协同创新中心、中科院纳米科学卓越中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。
