仿生超彈性“碳彈簧”問世

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊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“碳彈簧”，其獨特的微觀結(jié)構(gòu)和性能使其成為制造智能振動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(-100～350 ℃)有效地發(fā)揮作用。

此前，該團(tuán)隊受人類“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，實現(xiàn)了高度可壓縮性和超彈性。近來，他們再次從“弓”的彈性變形機(jī)制獲取靈感，通過深入研究表明，引入的這種獨特的長程有序?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，而且可以有效解決其拉伸脆性問題。這種“碳彈簧”可以在-60%～80%的大應(yīng)變范圍內(nèi)實現(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。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，證實了其彈性變形機(jī)制。

基于該“碳彈簧”的獨特變形機(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，成功研制了可檢測微小振動的應(yīng)變傳感器件，并能對多種復(fù)雜的振動模式做出靈敏的響應(yīng)，其中包括模擬的地震波振動。此外，研究人員通過預(yù)先將四氧化三鐵納米粒子共組裝到材料框架中，從而獲得了可被磁場驅(qū)動的磁性碳彈簧。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磁性傳感器件。該磁性傳感器可靈敏地探測到小至0.4 mT的微小磁場。這兩種傳感器件均可以在-100～350 ℃的極端溫度環(huán)境中穩(wěn)定地發(fā)揮作用，這種獨特優(yōu)勢使其應(yīng)用到外太空探測任務(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)制能用于極端場合的高度可伸縮型多孔材料提供了新的策略。

(來源：中國科學(xué)報)