仿生超弹性碳材料“碳弹簧”问世

记者从中国科学技术大学了解到，俞书鸿院士团队成功研制出一种具有高压缩性和高拉伸性的超弹性全碳多孔材料，研究人员称之为“碳弹簧”。其独特的微结构和性能使其成为制造智能振动和磁传感器件的理想材料，获得的传感器件甚至可以在极端温度环境下发挥有效作用。研究结果最近发表在《先进材料》。

多孔碳材料因其广泛的应用而成为材料科学领域的研究热点。在实际应用中，机械柔性是决定结构稳定性和耐久性的关键因素。然而，由于三维多孔碳网络之间的连接非常脆弱，如何开发具有可逆拉伸性能的多孔碳材料仍然是一大挑战。

此前，受人类“拱”宏观弹性拱结构的启发，研究人员借助发达的双向冰模板技术，成功构建了由有序堆叠的微拱结构单元组成的全碳多孔材料，实现了高压缩性和超弹性。深入研究表明，独特的长程有序层状微拱结构不仅能解决多孔碳材料的压缩脆性，还能有效解决拉伸脆性。基于此，研究人员成功研制出这种“碳弹簧”，可以在-60%到80%的大应变范围内实现可逆的拉伸和压缩变形，并且可以完全回弹，类似于真正的金属弹簧，这使其区别于此前报道的几乎所有多孔碳材料。此外，结合原位扫描电镜观察和有限元模拟，确定了弹性变形机理。

磁性“碳弹簧”也可以作为关键部件，然后制造出一种新型磁传感装置。研究结果表明，该磁传感器可以灵敏地探测到小到0.4 mt的微小磁场，令人印象深刻的是，这两种传感器可以在-100至350的极端温度环境下稳定工作，这使得将它们应用于外层空间探测任务成为可能。