第一作者：Mingmao Wu
通讯作者：曲良体
通讯单位：清华大学
背景介绍
石墨烯气凝胶（GA）是一种具有超高比强度和抗疲劳性的超材料，在航空航天，国防和能源相关领域的恶劣环境下具有巨大的应用潜力。然而，由于材料在低密度下强度和弹性之间相互排斥，因此，制备具有类似特性的超材料仍是材料界的一大难题。此外，由于从宏观尺度到微观尺度之间缺乏多尺度结构的调节，GA在可穿戴设备，柔性机器人等多功能场景中的应用也受到阻碍。因此，构建具有可控宏观和微观结构的弹性GA，以及了解GA具有此优越机械性能的原因，成为当前石墨烯领域一大热点话题。
本文亮点
该工作提出了一种制备具有多功能宏观结构和高度有序微网络的石墨烯气凝胶的激光雕刻策略。该方法可快速准确地将GA雕刻成任意形状。该方法制备得到的GA具有一系列创纪录的性能，包括超高的拉伸性（5400%伸长率），低密度（0.1 mg/cm3），和宽泊松比（0.95~ 1.64）。
图文解析
要点：
1.图1a为传统雕刻技术得到的艺术品，而激光雕刻可极大地提高样品形状尺寸的精度，如1b-d所示，激光雕刻得到的具有精美形状的GA。
2.激光雕刻后得到的样品，经过进一步的机械结构设计后，可得到蛇纹式结构（图1e），re-entrant结构（图1f）和螺旋式结构（图1g），其伸长率可分别达到1200%、133%和5400%。
要点：
1.为了提高GA的机械性能，该工作还在其中加入一维聚酰亚胺（PI）纳米纤维，通过π-π相互作用牢固地结合所有石墨烯片。图2a展示了通过静电纺丝法制备PI纳米纤维的过程。
2.图2b-e则展示了GA与PI纳米纤维相互缠绕结合的微观示意图。
3.将上述得到的复合GA进行抗压测试，由于GA具有接近100%的孔隙率，所以它可承受其自身重量6000倍的压力而不发生塑性变形（图2f），当重量撤去后，其结构形态又恢复原样，此外，该GA还具有超低的密度，可漂浮在羽毛上（图2g）。
要点：
1.为了进一步研究一维纳米纤维对GA的增强作用，该工作对复合GA的机械性能进行了系统的研究，通过压缩应力应变曲线，循环压缩实验等，证明了其卓越的机械性能。
2.此外，该工作还通过刀片切割实验去验证了该GA在极端环境下的稳定性，从实验结果可以看出，得益于一维纳米纤维将石墨烯纳米片串联起来，可有效地消散局部应力和能量，GA具有稳定的机械性能。
要点：
1.该工作还研究了其机械性能的机理，如图4所示，SEM图像显示了加入PI和未加入PI的GA，在不同压力下的结构变化示意图，从中可以得出，在压缩过程中，一维PI纳米纤维构成了坚固的框架，在变形时，主要产生整体的形变而不是局部形变，降低了应力集中对结构的破坏，从而保护石墨烯纳米片免受因弯曲而被破坏。
要点：
1.该工作还通过分子动力学模拟去验证该增强机理。
要点：
1.最后，该工作通过仿真模拟和实验实际测试的方法，计算了该GA的泊松比，由于其激光雕刻的不同种类的多孔结构，该GA的泊松比达到了史无前例的范围，从-0.95到1.64，超越了目前报道的所有的石墨烯气凝胶的泊松比范围。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32200-8
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