輕似海綿，彈性伸縮如彈簧，可耐從-100℃到350℃的極端溫度……提起碳材料，人們往往會想起煤炭、石墨、金剛石，近期中國科學技術大學俞書宏院士團隊受人類“足弓”和“弓弩”等結構啟發，研製出一種微結構如煎餅果子裡的“薄脆”、名為“碳彈簧”的新型碳材料，被認為是製造智慧磁性和振動感測器的理想材料，有望用於外太空探測。
碳以多種形式存在於地球，天然碳材料“剛而不柔”，優點是輕、硬、耐高溫，缺點是脆。人工合成的多孔碳材料是國際研究熱點，其中最出名的是石墨烯，多孔碳能導電，但“脆”仍制約其應用。
為了讓多孔碳“剛柔並濟”，俞書宏團隊巧妙借鑑人類“足弓”結構。
“人的腳是骨骼、肌腱、肌肉等組成的拱形結構，堅固、輕巧、彈性好，能承受壓力、緩衝震盪，給我們啟發。”俞書宏介紹，近期他們用雙向冰模板技術，構築出一種由“微拱結構”堆疊成的多孔碳材料。
經檢測，這種新材料柔韌性極佳，被拉長至1.2倍或壓縮至五分之一，仍可回彈復原，還可耐受從-100℃到350℃的溫度，實現遠超天然碳材料的超強效能。
研究人員將其命名為“碳彈簧”，並用它研製出新型磁性和振動感測器，前者可探測到0.4毫特斯拉的微小磁場，後者可檢測每秒1000次、振幅0.5%的高頻微小振動，包括模擬地震波。
“這兩種感測器能在極溫下工作，使其應用於外太空探測成為可能。”中科大副研究員高懷嶺展望說，比如探測地外星球的磁場強度、地殼運動、地質結構等。
有趣的是，透過原位掃描電鏡觀察，“碳彈簧”內部的“波浪形”層疊結構，很像煎餅果子裡的薄脆。為何薄脆很“脆”，“碳彈簧”卻很韌？據悉，“碳彈簧”的內部微拱形單元厚度僅約100奈米，跨度卻達到約100微米，上千倍的“跨度厚度比”，是其“剛柔並濟”的秘密所在。
日前，國際知名學術期刊《先進材料》發表了該成果。
文字記者：徐海濤、屈彥
海報製作：陳恬雨
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