雕刻技術(shù)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(jīng)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(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，傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)決定著其本征的力學(xué)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(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)曲良體教授團(tuán)隊與福州大學(xué)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(jié)構(gòu)，構(gòu)造出了一種連續(xù)可靠的長程穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這也是自然界中最有效的增強增韌方式，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。通過密度泛函計算與分子動力學(xué)模擬，其微觀剛度增強的機制也被詳細(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(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)過壓縮后的GmA的應(yīng)力與應(yīng)變保持率與文獻(xiàn)對比圖，c 理論模擬與實驗結(jié)果經(jīng)過歸一化后壓縮的相對應(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(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僅通過靜電力就可以克服自身重力，同時還具有優(yōu)秀的耐壓縮能力。經(jīng)過力學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)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(xiàn)報道的不同方法。
圖3 a 激光雕刻的GmA不同中空結(jié)構(gòu)與比重，b 通過靜電力吸附在打印紙上的超輕GmA，c 超輕GmA經(jīng)過50次80%應(yīng)變的壓縮循環(huán)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(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。
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