多孔碳材料因其廣泛的應(yīng)用，一直是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。機(jī)械柔韌性是決定其實(shí)際應(yīng)用過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的關(guān)鍵因素。經(jīng)過過去幾十年的大量研究，多孔碳材料的壓縮脆性問題得到了很好的解決，多種高度可壓縮的彈性多孔碳材料被成功制備。然而，由于三維多孔的碳網(wǎng)絡(luò)之間連接非常脆弱，如何研制出具有可逆拉伸性能的多孔碳材料仍然是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。

記者8月23日從中國科大獲悉，中國科大俞書宏院士團(tuán)隊(duì)成功研制出一種兼具高度可壓縮性和可拉伸性的超彈性全碳多孔材料，研究人員稱其為“碳彈簧”。其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和性能使其成為制造智能振動(dòng)和磁性傳感器件的理想材料，所獲得的傳感器件甚至能夠在極端溫度環(huán)境下（-100到350 °C）有效地發(fā)揮作用。該研究成果以“A Highly Compressible and Stretchable Carbon Spring for Smart Vibration and Magnetism Sensors”為題發(fā)表在Advanced Materials上。中國科大副研究員高懷嶺和博士生王澤宇、崔晨為論文的共同第一作者。

在此之前，該團(tuán)隊(duì)的研究人員受人類“足弓”的宏觀彈性拱形結(jié)構(gòu)啟發(fā)，借助他們發(fā)展的雙向冰模板技術(shù)，成功構(gòu)筑了由微拱結(jié)構(gòu)單元有序堆疊構(gòu)成的全碳多孔材料，實(shí)現(xiàn)了高度可壓縮性和超彈性（Nat. Commun. 2016, 7, 12920）。近來，他們?cè)俅螐摹肮钡膹椥宰冃螜C(jī)制獲取靈感，通過深入研究表明，引入的這種獨(dú)特的長(zhǎng)程有序?qū)訝钗⒐敖Y(jié)構(gòu)，不僅可以解決多孔碳材料的壓縮脆性問題，同時(shí)還可以有效解決其拉伸脆性問題?；诖?，研究人員成功研制出這種“碳彈簧”，該碳彈簧可以在-60%至80%的大應(yīng)變范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可逆的拉伸和壓縮形變，并能完全回彈，類似于真正的金屬彈簧，這種彈性特性使其與幾乎所有先前報(bào)道的多孔碳材料區(qū)分開來。此外，研究人員通過結(jié)合原位掃描電鏡觀察和有限元模擬，證實(shí)了其彈性變形機(jī)制。

鑒于該碳彈簧的獨(dú)特變形機(jī)制和機(jī)械性能，以及良好的導(dǎo)電性，研究人員將其作為關(guān)鍵部件，成功研制了可檢測(cè)微小振動(dòng)的應(yīng)變傳感器件，其應(yīng)變檢測(cè)限至少為±0.5%，可檢測(cè)的最高振動(dòng)頻率至少為1000 Hz，并能對(duì)多種復(fù)雜的振動(dòng)模式做出靈敏的響應(yīng)，其中包括模擬的地震波振動(dòng)。此外，研究人員通過預(yù)先將Fe3O4納米粒子共組裝到材料框架中，從而獲得了可被磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的磁性碳彈簧。該磁性碳彈簧也可被用作關(guān)鍵部件，進(jìn)而制造成了一種新型的磁性傳感器件。研究結(jié)果表明，該磁性傳感器可靈敏地探測(cè)到小至0.4 mT的微小磁場(chǎng)。令人印象深刻的是，這兩種傳感器件均可以在-100 ℃到350 ℃的極端溫度環(huán)境中穩(wěn)定地發(fā)揮作用，這種獨(dú)特優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用到外太空探測(cè)任務(wù)中成為可能。

該工作提供了一種用于構(gòu)筑新型智能振動(dòng)和磁性傳感器的有效途徑，并為利用其他無機(jī)組分創(chuàng)制能用于極端場(chǎng)合的高度可伸縮型多孔材料提供了新的策略。

這項(xiàng)研究得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體資助項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中科院前沿重點(diǎn)項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目以及中科大同步輻射聯(lián)合基金的資助。（記者 汪喬）