潮新闻客户端 记者 王雨红 通讯员 周亦颖

生活中，你可能在许多日用品中看到过石墨烯的身影，比如可持续为身体供暖的石墨烯羽绒服、抗菌性和透气性更佳的新型石墨烯口罩，以及能感知人体步态信息的石墨烯智能鞋垫等。

石墨烯被称为“新材料之王”，其厚度不及普通纸张的三十万分之一，却是目前已知最薄、强度最高、导电导热性最好的材料之一。科学家常用这种纳米级“积木”搭建各类高性能宏观材料。

近日，浙江大学联合清华大学科研团队，创新了一种“层间折叠卡扣”的搭建方式，首次在石墨烯膜领域实现高强度、高韧性与高弹性“三合一”的性能突破。相关成果在国际顶刊《自然》刊发。

一张黑色的金属箔片，摆在浙大实验室的桌上。校高分子科学研究所所长高超介绍，这就是他们利用新结构制作的石墨烯膜，拥有超越钢材的性能。

高超用数块3D打印的石墨烯模型，向记者讲解背后的奥秘。常规的石墨烯材料表面平整光滑。眼前的石墨烯模型表面却具有丰富的折叠结构。高超随手拿起两块模型将其拼接，两者便牢牢咬合形成“机械卡扣”。“就像乐高积木一样互锁后，就不易发生层间滑移。”高超打比方说。

原来，微观尺度下的传统石墨烯膜由一层层光滑的石墨烯片堆叠而成，表面平整度可达原子级别。如果把一片单层石墨烯放大到100米长的标准足球场大小，其整个表面的平均高低起伏不到1毫米。可以说，石墨烯是人类已知最光滑的固态薄膜材料之一。

也正因如此，当宏观的石墨烯膜受到拉力或者剪切力时，光滑的石墨烯层之间会发生滑移，导致材料很容易断裂。

过去，科学家为提升石墨烯膜的力学性能，大多采用两种思路：一是使石墨烯片层排列更有序，二是使层间结合更牢固。但无论采用哪种思路，所得宏观材料都难以突破“强而不韧、韧而不强”的瓶颈。如何突破这一瓶颈，也成为该领域长期关注的问题。

聚焦这一难题，高超团队开启了长达十余年的“马拉松式”科研。一次实验中的“意外”成为突破口：能不能尝试用降低反应温度的方法，来提升性能？尽管制备工艺已稳定多年，科研团队还是打算将这一“突发奇想”落到实验中。

于是，大家把合成反应温度从常温调整到0℃以下。没想到，反应过程中，石墨烯本身的构型发生了改变，其表面出现了丰富的折叠褶皱结构。

带着新发现，浙大团队与清华大学航天航空学院工程力学系教授徐志平团队合作，通过力学计算和分子模拟揭示了这一结构在拉伸过程中的传力机制，并证明由此制备的石墨烯膜力学性能可极大提升。

“因为当外力发生时，相互咬合的石墨烯片层会‘锁’得更牢。”团队成员王利丹打了个形象的比方：好比一排人手挽手站着，为了不被拉散，他们相互挽住的胳膊反而会扣得更紧。

此后将近一年时间，团队反复调试实验温度，材料厚度、表层密度等参数，为后续制备性能更优的石墨烯膜“炼制”基材。最终，新型石墨烯片的平均厚度为9.1纳米，表面折叠厚度约2纳米。

经过测试，新型石墨烯薄膜刷新了传统层状材料的力学性能纪录：其强度可达2.9吉帕，韧性达84.5兆焦每立方米，两项性能均实现翻番；同时，该薄膜具有5%的弹性应变，而传统材料仅1%左右，且回弹性能较差。

“此前我们一直关注石墨烯的电学、热学等性能，没想到这次意外发现了它优异的力学性能。”高超告诉记者，此次研制的新型石墨烯膜的强度是普通塑料膜的30倍。这种强度，就好比把一张厚度仅与保鲜膜相当的石墨烯膜绷紧，再让一头大象站在铅笔上，铅笔芯的尖角也无法将它戳破。

这种兼具高强、高韧、高弹性能的材料，为层状材料设计开辟了新思路，可应用于航空航天轻量化结构、抗冲击防护装备等领域。

目前，团队正在25公斤级反应炉中开展放大实验，相关技术已具备量产条件。“接下来，我们还将利用这一新结构，把石墨烯与氮化硼、硫化硼等材料相结合，并从膜领域拓展到纤维等领域，研制更多高性能的三维宏观材料。”高超说。