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浙大与清华合作用纳米级“积木”搭出超强材料

中国科学报

发布时间：2026-10-16 09:09:58 11次浏览

近日，由浙江大学许震副教授、高超教授与清华大学徐志平教授团队合作，在石墨烯膜中发现了“层间折叠卡扣”的新结构与新机制，首次实现了石墨烯膜的高强、高韧与高弹性“三合一”的性能突破，成果文章10月14日于刊发于《自然》期刊。

高超等在实验室。（课题组供图）

论文通讯作者高超介绍说，联合团队首次实现在单个二维片层中构筑原子尺度空间折叠构型，制备出表层折叠、芯层规整堆叠的新型多层石墨烯片，并以此作为组装基元，实现从“平面堆叠”向“空间构型组装”的转变，为二维片层材料的空间构型设计开辟了新范式。

谈到新成果的贡献，论文共同通讯作者许震介绍，团队打破了传统二维材料强度与韧性力学性能的边界，构筑出兼具高强度、高韧性和高弹性的石墨烯薄膜。该薄膜展现出优异的综合力学性能，为航空航天轻量化结构、高性能复合材料及抗冲击防护装备等领域提供了新的材料设计思路。

石墨烯片层：除了“排”和“粘”，还能做什么？

石墨烯的发现，让人类拥有了“原子级厚度却比钢还强”的二维材料，并以其为基础“砖块”构筑石墨烯纤维、薄膜、气凝胶等高性能宏观材料。其中，强度与韧性是衡量其力学性能的两项关键指标，却往往难以兼得。如何突破“强而不韧、韧而不强”的制约，实现材料既强又韧，是该领域持续关注的重要科学问题。

过去20年，石墨烯膜的强韧化主要沿着两条路径展开：一是让“片层排得更整齐”，二是让“层间粘得更牢固”，并由此取得了一系列性能突破。然而，与其它刚性片不同，石墨烯具有极优异的柔性，可形成折叠、褶皱等丰富的空间构型。这一独特特性为突破传统强韧化思路、探索层状材料的空间结构设计提供了新的可能。

基于此，研究者可以跳出“把片层排得更整齐”或“粘得更牢”的传统思路，通过调控石墨烯片层自身的几何构型，构建新的层间作用机制，创造一种全新的作用方式，突破层间剪切滑移的性能瓶颈，从而来进一步提升石墨烯膜的力学性能。

从“平面堆叠”到“空间互锁”：研究创新与亮点

浙江大学高分子系高超/许震团队经过长期研究，在一次“意外”的探索实验中，通过低温氧化策略成功制备出表面具有丰富折叠结构的新型多层氧化石墨烯片。这种材料具有独特的内外差异结构：表层形成折叠条带，内部则保留石墨的有序堆叠结构。该纳米片平均厚度为9.1纳米，表面折叠厚度在2纳米左右。

论文第一作者，浙江大学高分子系博士后王利丹说，与传统平直堆叠不同，这些折叠结构能够在层间形成软的“机械卡扣”，使材料在受力时能够发生可逆的弹性形变且有效阻止层间滑移失效。团队以此为“积木单元”，组装出层间彼此咬合的石墨烯膜，该膜的拉伸强度能够达到2.9吉帕，韧性达到84.5 兆焦每立方米，并具有高达5%的弹性应变，实现了强度、韧性和弹性的协同提升，打破了传统层状材料力学性能的纪录。浙大团队与清华大学徐志平教授团队合作，通过力学计算和分子模拟发现：材料受拉时，相邻折叠逐渐接触并相互挤压，将部分“拉力”转化为层间“推力”，形成“Pull-to-Push（由拉转推）”的力链转换。基于此，团队提出“shear-lock（剪切互锁）”力学模型，实现强度与韧性的协同提升，并拓展了材料在大应变、高应力下的弹性性能，为二维片层材料从“平面堆叠”走向“空间构型设计”提供了新思路。

巧设“折叠卡扣”，解锁高效传力

王利丹介绍说，通过控制反应温度等条件，团队能够实现多层氧化石墨烯片的批量可控制备。通过追踪反应过程，团队揭示了“边缘溶胀（edge-global-swell）”的结构演变规律，并发现表层与内部氧化程度的差异是形成折叠结构的关键：高氧化表层经溶胀、干燥收缩后，形成独特的折叠条带。以多层氧化石墨烯为“积木单元”，通过传统的刮涂法，制备出具有层间折叠卡扣结构的石墨烯膜。相较传统单层石墨烯组装膜，该膜内部孔隙率更低，密度和取向度更高。透射电镜结果显示，膜内部结构致密，堆叠规整有序，基元表面的折叠条带在界面处相互咬合，形成稳定的拓扑互锁结构。

传统层状结构主要通过片层间的滑移传递载荷，本研究模拟与实验结果显示，多层氧化石墨烯表面的折叠结构在拉伸过程中会相互接触、挤压并形成“卡扣”，将部分“拉力”转化为层间“推力”，实现由拉转推的载荷转换。这种“剪切互锁”机制能够有效抑制层间滑移，大幅提升载荷传递效率。断裂形貌和原位拉伸实验进一步验证了这一机制，理论分析表明，其应力传递效率可达96%，显著优于传统“剪切滞后（shear-lag）”模式。

浙江大学博士后王利丹、清华大学博士后廖杨超为论文共同第一作者。该工作得到国家自然科学基金委等经费的支持。