4月24日，記者了解到，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的俞書(shū)宏教授（通訊作者）在Advanced Materials上發(fā)表了一篇題為 “Superelastic Hard Carbon Nanofber Aerogels”的文章。研究人員受大自然的啟發(fā)，通過(guò)使用間苯二酚 – 甲醛（RF）樹(shù)脂作為硬碳源，制備了具有納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的超彈性和抗疲勞性的硬碳?xì)饽z（HCA）。在該方法中，多種一維（1D）納米纖維，包括細(xì)菌纖維素納米纖維（BCNF），碲納米線（TeNW）和碳納米管（CNT），被用作結(jié)構(gòu)模板來(lái)制備RF的納米纖維氣凝膠。得益于納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和硬碳焊接點(diǎn)，所得HCAs具有優(yōu)異的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，如：超彈性、高抗壓強(qiáng)度、高回彈速度和低能耗。值得注意的是，HCA的回彈速度（860 mm s-1）比之前報(bào)道的層狀石墨烯氣凝膠的最快回彈速度快50％，壓縮強(qiáng)度比層狀石墨烯氣凝膠高出近6倍。這種新型HCA實(shí)現(xiàn)了彈性和強(qiáng)度之間的平衡，可用作寬量程的壓阻式傳感器，以及可拉伸和可彎曲的傳感器。
“軟碳”和“硬碳”通常用于描述通過(guò)熱解有機(jī)前驅(qū)體制備而來(lái)的碳材料。在熱解過(guò)程中，殘留的碳原子重構(gòu)成二維石墨烯片層結(jié)構(gòu)，如果這些微觀石墨烯片層以大致平行的方式排列，那么石墨烯片層就很容易在高溫下重新排列成石墨層狀結(jié)構(gòu)，也即石墨化，因而該碳就被稱為“軟碳”或“可石墨化碳”。然而，如果這些微觀石墨烯片層隨機(jī)堆疊并且通過(guò)邊緣的碳原子形成高度交聯(lián)，那么其在高溫下無(wú)法發(fā)生石墨化轉(zhuǎn)變，該碳則被稱為“硬碳”或“非石墨化碳”。不同的碳組分和結(jié)構(gòu)單元導(dǎo)致其組裝體（如氣凝膠）之間存在巨大的性能差異。
a）示意圖，顯示通過(guò)使用1D納米線作為模板的一般合成方法；
b）大規(guī)模合成RF納米纖維水凝膠，以BCNF@RF為例；
c）衍生的氣凝膠的照片；
d）BCNF @ RF氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)的SEM圖像；
e，f）獲得的硬碳?xì)饽z的SEM圖像，顯示納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和纖維-纖維的焊接點(diǎn)（紅色圓圈）；
g，h）BCNF @ C納米纖維的TEM圖像顯示存在于BCNF @ C納米纖維中的大量納米孔；（e）中的插圖顯示了所得的BCNF @ C氣凝膠。
a）RF納米纖維直徑；
b）RF氣凝膠的密度；
c）碳納米纖維直徑；
d）碳?xì)饽z的密度。
a）三種碳?xì)饽z在50％應(yīng)變（第一次循環(huán)）下的壓縮應(yīng)力 – 應(yīng)變曲線；
b）三種碳?xì)饽z的塑性變形和能量損耗系數(shù)的比較；
c）碳?xì)饽z的楊氏模量（E）和表觀密度（ρ）之間的冪律關(guān)系；
d） BCNF @ C氣凝膠的原位SEM顯示在50％壓縮和釋放后的結(jié)構(gòu)變形。比例尺為500nm。e）BCNF @ C和其他先前報(bào)道的材料的能量損耗系數(shù)，圖表中的數(shù)字代表相關(guān)參考文獻(xiàn)；
f）來(lái)自高速攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像顯示BCNF @ C可以快速回彈鋼球，比例尺，5mm；
g）BCNF @ C和其他先前報(bào)道的材料的回彈速度，圖表中的數(shù)字代表相關(guān)參考文獻(xiàn)；
h）BCNF @ C碳?xì)饽z的動(dòng)態(tài)流變行為；
i）BCNF @ C碳?xì)饽z在30％應(yīng)變下105個(gè)循環(huán)，50％應(yīng)變104個(gè)循環(huán)，70％應(yīng)變103個(gè)循環(huán)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。
a）BCNF2 @ C-50碳?xì)饽z對(duì)壓力的電流響應(yīng)，插圖顯示兩種具有不同靈敏度的線性區(qū)域；
b）電阻的變化（ΔR/ R0）與壓縮應(yīng)變（ε）的關(guān)系；
c）在不同施加載荷下碳?xì)饽z的電流-電壓曲線；
d）在不同應(yīng)變下，碳?xì)饽z壓縮循環(huán)的電阻變化；
e）在50％應(yīng)變下，100個(gè)循環(huán)周期下的彈性-電阻響應(yīng)響應(yīng)測(cè)試；
f）不同傳感器之間有效量程的比較，百分比代表最大檢測(cè)應(yīng)變，括號(hào)中的數(shù)字代表相關(guān)參考文獻(xiàn)；
g）碳?xì)饽z1 Hz下，在-70至300℃之間的粘彈性；
h）表明碳?xì)饽z可以在超低溫（液氮）下有效工作。
以1D納米材料作為模板，通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱反應(yīng)得到酚醛樹(shù)脂納米纖維氣凝膠，接著通過(guò)碳化該氣凝膠則可得到穩(wěn)固的硬碳基納米纖維氣凝膠。在以BCNF，TeNW和CNT作為結(jié)構(gòu)模板時(shí)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單地改變?cè)系牧縼?lái)控制物理性質(zhì)（例如納米纖維的直徑，氣凝膠的密度和機(jī)械性質(zhì)）。得益于硬碳納米纖維和纖維之間大量的焊接點(diǎn)，硬碳?xì)饽z顯示出優(yōu)異而穩(wěn)定的機(jī)械性能，包括超彈性、高強(qiáng)度、極高回彈速度（860 mm s-1）和低能量損耗系數(shù)（< 0.16）。在50％應(yīng)變下測(cè)試104個(gè)循環(huán)后，碳?xì)饽z僅顯示2％的塑性變形，并保持93％的初始應(yīng)力。硬碳?xì)饽z可以在苛刻的條件下（例如在液氮中）保持超彈性?；谄鋬?yōu)異的機(jī)械性能，這種硬碳?xì)饽z有望在應(yīng)用于具有高穩(wěn)定性、大量程（50 kPa）、以及可拉伸或可彎曲的應(yīng)力傳感器。該方法有望擴(kuò)展到制備其他非碳基復(fù)合納米纖維，并提供了一種通過(guò)設(shè)計(jì)納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)將剛性材料轉(zhuǎn)變成彈性或柔性材料的新方法。
