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由微納結(jié)構(gòu)單元構(gòu)筑而成的彈性可壓縮宏觀組裝體材料在諸如機械緩沖、柔性器件等領(lǐng)域都展現(xiàn)出極其重要的應(yīng)用價值。可壓縮性、回彈性和抗疲勞性作為這類材料主要性能指標(biāo)，直接決定著其實際應(yīng)用的可靠性。

盡管目前所制備的多種相關(guān)材料已經(jīng)可以實現(xiàn)較高水平的可壓縮性，然而絕大多數(shù)材料在高應(yīng)變情況下的壓縮循環(huán)中，往往由于其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)不能有效地適應(yīng)較大的應(yīng)力和應(yīng)變，而發(fā)生永久性的受損折斷，從而導(dǎo)致材料的回彈性能差并伴隨較大的能量損耗，材料的永久性塑性形變以及壓縮應(yīng)力的顯著降低。因此，對于一種材料來說，這三種性能指標(biāo)很難兼得，如何實現(xiàn)高壓縮性的同時，還能同時實現(xiàn)其優(yōu)越的彈性和抗疲勞性一直是個亟待解決的難點。

通過觀察日常生活中的常見事物，可以發(fā)現(xiàn)某些宏觀結(jié)構(gòu)提供了解決這些微觀結(jié)構(gòu)問題的新思路。例如，片彈簧結(jié)構(gòu)作為一種機動車拱形彈簧懸掛系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于機動車中支撐車軸和吸收振動。人類的拱形足弓不僅起到減少骨骼摩擦和受損的彈性緩沖作用，同時還可以通過彈性變形儲存能量并釋放從而促進我們行走、奔跑和跳躍。這兩種宏觀拱結(jié)構(gòu)具有共同的特征，即優(yōu)越的彈性性能和抗疲勞強度。

在這些宏觀彈性拱結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏課題組、吳恒安課題組的研究人員設(shè)計了一種新型的雙向冷凍技術(shù)，將殼聚糖-氧化石墨烯（CS-GO）混合溶液取向冷凍并干燥從而獲得具有層狀結(jié)構(gòu)的CS-GO宏觀組裝體，然后再將其通過高溫碳化處理，依靠碳化過程中CS和GO收縮程度的不同，使原本較為平坦的薄層結(jié)構(gòu)皺縮成所需的層狀微連拱結(jié)構(gòu)。通過進一步構(gòu)建力學(xué)模型，對這一材料的超常性能進行了系統(tǒng)的分析。上述兩步過程的巧妙結(jié)合對實現(xiàn)這一特殊多級結(jié)構(gòu)是必不可少的，例如，通過雙向冷凍獲得的取向一致的層狀結(jié)構(gòu)保證了最終材料中所有微拱單元的取向一致性，從而保證所有微拱單元在材料整體受壓變形時同時發(fā)揮彈性功能。

圖1、通過雙向冷凍聯(lián)合熱處理過程獲得碳-石墨烯（C-G）宏觀彈性體材料

(a)材料制備過程示意圖；(b)材料的微觀層狀連拱結(jié)構(gòu)；(c)材料的無定型碳-石墨烯復(fù)合組分；(d) 材料在高應(yīng)變條件下的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；(e) 高速相機捕捉的該材料快速彈起金屬球的過程；(f,g) 材料的回彈速度(f)和壓縮循環(huán)中能量損耗(g)同其他相關(guān)材料的比較。

研究表明，正是基于這種獨特的拱形微結(jié)構(gòu)設(shè)計，所制得的材料即使由脆性的構(gòu)筑組分構(gòu)成，卻同時具備了高度的可壓縮性（經(jīng)歷90%壓縮應(yīng)變后完全恢復(fù)原狀），如彈簧一樣的超彈性（580 mm/s的回彈速度，遠高于國際已報道材料170 mm/s的最高水平；0.2左右的能量耗散因子，明顯區(qū)別于國際已報道材料0.3~0.8的平均水平），以及卓越的抗疲勞性能（20%應(yīng)變循環(huán)壓縮10⁶次，50%應(yīng)變循環(huán)壓縮2.5×10⁵次，或80%應(yīng)變循環(huán)壓縮10⁴次基本保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定），且這些性能指標(biāo)相比國際已報道的類似多孔泡沫材料具有突出的優(yōu)勢。

總之，這種受宏觀結(jié)構(gòu)啟發(fā)設(shè)計制備微觀結(jié)構(gòu)材料的理念，為設(shè)計制備更多的新型結(jié)構(gòu)材料提供重要的指導(dǎo)意義。該成果的另一個啟示是，一些已經(jīng)成熟的宏觀結(jié)構(gòu)力學(xué)理論同樣可以用來指導(dǎo)微觀結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計，有望實現(xiàn)對傳統(tǒng)材料性能的巨大提升。

圖2、材料的機械性能分析及理論模擬

(a) C-G 彈性體薄層之間的鏈接細節(jié)；(b) 理論模擬顯示該材料的結(jié)構(gòu)單位模型薄殼結(jié)構(gòu)在發(fā)生大變形時其內(nèi)部具有很小應(yīng)變；(c) 分析該結(jié)構(gòu)單元彈性性能的結(jié)構(gòu)模型；(d) 具有不同層厚的C-G 彈性體（藍色）及薄殼模型（紅色）的壓縮應(yīng)力；(e) 有不同收縮程度的C-G 彈性體（藍色）及不同半徑的薄殼模型（紅色）的壓縮應(yīng)力；(f) 分析相鄰拱單元之間摩擦情況的結(jié)構(gòu)模型；(g) 理論模擬得到的交錯的拱單元之間相互擠壓時的應(yīng)力應(yīng)變曲線；(h) 理論模擬得到的對應(yīng)(g)中20%應(yīng)變時模型的能量分布情況。

圖3、具有不同結(jié)構(gòu)的C-G宏觀材料之間機械性能對比

(a-c) 具有三種不同微結(jié)構(gòu)的C-G宏觀材料的壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線；(d-f) 具有三種不同微結(jié)構(gòu)的C-G宏觀材料在80%應(yīng)變壓縮循環(huán)過程中的最大壓縮應(yīng)力(d)，塑性形變(e)以及能量損耗系數(shù)(f)的變化；(g,h)原位觀察C-G 彈性體被壓縮過程中的微結(jié)構(gòu)變化。

圖4、抗疲勞強度測試

(a-c) C-G 彈性體在不同應(yīng)變情況下經(jīng)歷不同次數(shù)壓縮循環(huán)過程中的彈性力、塑性形變和能量損耗系數(shù)的變化情況；(d) C-G 彈性體在不同應(yīng)變情況下經(jīng)歷不同次數(shù)壓縮循環(huán)過程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線；(e) 阿什比圖表顯示C-G 彈性體與其他相關(guān)材料的抗疲勞強度對比。