仿生超弹性“碳弹簧”问世

中国科学技术大学俞书宏院士团队成功研制出一种兼具高度可压缩性和可拉伸性的超弹性全碳多孔材料“碳弹簧”，其独特的微观结构和性能使其成为制造智能振动和磁性传感器件的理想材料，所获得的传感器件甚至能够在极端温度环境下（-100℃到350 °C）有效地发挥作用。该成果日前发表于《先进材料》。

此前，该团队受人类“足弓”的宏观弹性拱形结构启发，借助他们发展的双向冰模板技术，成功构筑了由微拱结构单元有序堆叠构成的全碳多孔材料，实现了高度可压缩性和超弹性。近来，他们再次从“弓”的弹性变形机制获取灵感，通过深入研究表明，引入的这种独特的长程有序层状微拱结构，不仅可以解决多孔碳材料的压缩脆性问题，而且可以有效解决其拉伸脆性问题。这种“碳弹簧”可以在-60%至80%的大应变范围内实现可逆的拉伸和压缩形变，并能完全回弹，类似于真正的金属弹簧。此外，研究人员通过结合原位扫描电镜观察和有限元模拟，证实了其弹性变形机制。

基于该“碳弹簧”的独特变形机制和机械性能以及良好的导电性，研究人员将其作为关键部件，成功研制了可检测微小振动的应变传感器件，并能对多种复杂的振动模式做出灵敏的响应，其中包括模拟的地震波振动。此外，研究人员通过预先将四氧化三铁纳米粒子共组装到材料框架中，从而获得了可被磁场驱动的磁性碳弹簧。该磁性碳弹簧也可被用作关键部件，进而制造成了一种新型磁性传感器件。该磁性传感器可灵敏地探测到小至0.4 毫特斯拉的微小磁场。这两种传感器件均可以在-100 ℃到350 ℃的极端温度环境中稳定地发挥作用，这种独特优势使其应用到外太空探测任务中成为可能。

该工作提供了一种用于构筑新型智能振动和磁性传感器的有效途径，并为利用其他无机组分创制能用于极端场合的高度可伸缩型多孔材料提供了新的策略。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1002/adma.202102724