突破性進展！這一浙大團隊打破物質的本性，讓又脆又硬的無機材料變得「彈彈彈」！

在80後90後的童年記憶中，有一個著名的歷史故事，司馬光砸缸。當陶土做的水缸被石塊砸了一下，就破了一個洞，水流出來了，掉在缸里的孩子也得救了。

而對於女孩子來說，跳皮筋是洋溢著歡快笑聲的集體遊戲，在牛皮筋的一勾一拉中，旋轉，跳躍，不停歇。

這兩個童年記憶，其實包含著一個自然界的普遍規律，玻璃、陶瓷這樣的無機材料通常都是又脆又硬的，沒有什麼彈性，而橡膠這類的有機材料韌性好，彈性足，可以反覆拉伸。

如何讓無機材料變得像有機材料那樣可以回彈，是世界很多科學家的努力目標。

這其中就有浙江大學高分子科學與工程學系的高超教授團隊。最近，他們的研究取得了突破性進展，設計製備出了高度可拉伸的全碳氣凝膠彈性體，並且表現出優異的性能，今後有望應用在柔性器件、智能機器人及航空航天等多個領域。

論文發表在國際著名期刊《自然通訊》，共同第一作者為博士生郭凡、姜炎秋，通訊作者為許震特聘研究員、高超教授。

打破物質的本性

材料科學的發展一直與人類文明密切相關。現如今我們已經擁有了各種各樣的材料。可是讓科學家煩惱的是，無機材料耐高低溫但沒有彈性，有機材料有彈性卻又不耐高低溫。

如果能研究出一種無機材料，在保持耐高低溫的同時具備一定的彈性，該多好啊。「這樣就能擴大材料的使用範圍。我們做科學研究就是要打破物質的本性，這樣才能發現新性能，尋找新用途。」

研究團隊在研製這一新材料時，聚焦的無機物材料為碳。因為碳所特有的導電性能，為未來應用提供了更多可能性。他們發現，高分子彈性體，比如橡膠，分子是鏈狀結構，就像柔軟的棉線團，有很多纏結的地方可以被拉開，當外力去除，這些高分子的「棉線」又重新纏結變成線團。無機物之所以不能拉長再回彈，就是因為沒有相似的結構。

這時候，高超團隊搬出了他們的研究老夥伴，石墨烯。他們希望能在「一片片」的石墨烯中製造出一些褶皺，將高分子的可拉伸「線團結構」拓展成為石墨烯中可拉伸的「紙團結構」，來提高石墨烯的延展性。

團隊借鑒生物學理念，從肌肉和關節的拉伸中尋找答案，設計出類似傳統拉縮式燈籠的結構，並用3D技術列印出來，通過限位壓縮定型，形成一些「褶皺」。這時候，石墨烯材料可以拉伸100%。

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繼續拉伸，石墨烯的「一片片」分子結構之間就會出現裂紋。怎麼辦？團隊引入了另外一種納米材料——碳納米管，在石墨烯的片層之間打上「補丁」。這樣一來，石墨烯就可以拉伸200%了。

高超教授說，這種全碳氣凝膠彈性體具有優異的抗疲勞性能，在拉伸200%的狀態下，可穩定循環至少100圈；在100Hz、1%應變的狀態下，可穩定循環至少百萬次。「之前一些研究是在有機材料上塗一層無機材料，以此來實現可拉伸。我們這套方法是改變了材料的本身特性。」

對於這一新型材料的未來發展前景，高超教授表示，可以應用到與模擬機器人相關的導電彈性體上，比如電子皮膚等等。「更大的意義，我們希望開拓一個新的研究領域。當大家都在研究氣凝膠的壓縮性能時，我們希望換一種思路，從拉伸這個方向開展研究。」

從一隻雁到一群雁

高超團隊與石墨烯的情緣已有十年之久。「石墨烯本身是一個『很小』的材料。國際科研領域已經對它的納米級結構分析得非常透徹了，我們想看看，把它組裝起來變『大』後會怎麼樣。」10年前的2008年，高超被引進加入浙大高分子系後，為自己定了一個清晰的全新研究方向——石墨烯宏觀組裝。

他用一首兒歌來解釋這項研究。「秋天到了，一行大雁往南飛，一會排成一字形一會排成人字形。」當一群大雁在飛行時，我們一眼就能看出雁群的形狀，反倒是一隻大雁在空中飛的時候，我們很難看清楚它的結構。

通過群效應團隊發現了氧化石墨烯的液晶現象。在一次實驗中，團隊成員把氧化石墨烯倒進一個杯子，偶然對著光一晃，發現杯中出現了彩色帶。這是什麼原因呢？團隊順藤摸瓜，發現氧化石墨烯在溶液中的濃度達到某個臨界值時，會自發進行取向排列，不但可以流動還高度有序。

又有一次實驗，成員把兩條氧化石墨烯纖維放在一起，過了一會兒，這兩條纖維居然「焊」在一起了。原來氧化石墨烯有一種「自融合」的本領。

從這兩大發現出發，團隊「倒騰」出了四大發明：石墨烯纖維、石墨烯組裝膜、石墨烯泡沫、石墨烯無紡布，科研成果發表在《自然通訊》和《先進材料》等國際著名期刊上。

高超說，一流是要不斷奮鬥出來的，「不是說做好一個工作就行，而是要不斷推進」。在團隊建設中，高超也非常強調「一流」，認為要有一流的文化、一流的平台、一流的待遇，最終產出一流的成果。他經常跟學生說：「科研首先要發奮，拼搏了才能有所發現，有所發明。還要努力讓科研成果轉化為對社會有用的產品，讓科技發達起來，讓國家發達起來。」

從最初的幾個人，到現在的幾十人，高超團隊也從「一隻大雁」發展到了「一群大雁」。對於過去沒錢買研究設備的窘況記憶猶新，對於未來，高超說，他會堅持在首創、極致和影響力三個層面上繼續努力。

科學也可以詩情畫意

對於石墨烯宏觀組裝研究，高超今年1月還專門寫了一首詩來解釋其中的奧妙。

氧化石墨烯

插層氧化銀成金，

水洗超聲片片新。

縱是千瘡身百孔，

組裝修復變烯神。

高超說，這首詩的大意就是，氧化石墨烯通過插層、氧化、水洗、超聲等過程製得，儘管缺陷很多，但可以通過組裝及結構修復形成有重要應用價值的石墨烯宏觀材料。在他心目中，氧化石墨烯的可塑性太強了，可以在很多領域派上用場。早些年，他還寫過另外一首詩來讚美石墨烯。

烯望

石陶銅鐵競風流，

信息時代硅獨秀。

量子紀元孰佔優，

一片石墨立潮頭。

科研工作很忙，這些作品都是高超利用坐火車乘飛機這樣的瑣碎時間完成的。寫詩和駢文是高超業餘的重要愛好。他認為科學家也可以寫風花雪月的詩句，但如果用詩的語言表達科學，更有利於傳播科學，也更能發揮科學家的特長。

「習總書記曾說，科技創新、科學普及是實現創新發展的兩翼，要把科學普及放在與科技創新同等重要的位置。我覺得，研究不能只是成為枯燥的論文，還要讓公眾能夠看懂。」

他還認為，科學家要多交小朋友，從而提高科學的吸引力和公眾的科學鑒賞能力。

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