碳材料可按碳原子雜化軌道的不同分為石墨碳（GC）、軟碳（SC）和硬碳（HC）。石墨碳具有二維六方晶體的長程有序結(jié)構(gòu)，如石墨，石墨炔，石墨烯/氧化石墨烯、碳納米管等。在熱解過程中，一些碳原子重構(gòu)成二維芳族石墨烯片，如果這些石墨烯片大致平行，在高溫下則容易石墨化，稱為軟碳；如果這些石墨烯片隨機(jī)堆疊并通過邊緣原子交聯(lián)，高溫下不能石墨化，則稱為硬碳。通常來說，石墨碳和軟碳具有高彈性，但是強(qiáng)度較低，容易變形，而硬碳的強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好，但是易碎。如何將硬碳材料制備成超彈性塊材仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。
最近，中科大化學(xué)系俞書宏教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組受到自然界的蜘蛛網(wǎng)同時(shí)具有高強(qiáng)度和彈性的啟發(fā)，巧妙通過模板法構(gòu)筑納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予傳統(tǒng)硬碳材料超彈性。通過使用間苯二酚-甲醛（RF）樹脂作為硬碳源，以多種1D納米纖維，包括細(xì)菌纖維素納米纖維（BCNF），碲納米線（TeNW）和碳納米管（CNT）作為結(jié)構(gòu)模板制備RF的納米纖維氣凝膠，通過高溫碳化即可得到超彈性和抗疲勞硬碳?xì)饽z（HCA）。
研究者通過簡單的控制原料的配比，可以輕易實(shí)現(xiàn)對氣凝膠物理參數(shù)的調(diào)控，如纖維的直徑、密度等。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
得益于納米纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和纖維間的硬碳焊接點(diǎn)，所得的HCAs具有優(yōu)異的機(jī)械性能。
通過原位掃描電子顯微鏡可以看出，在經(jīng)過50%壓縮后，材料的整體結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀，并沒有明顯的結(jié)構(gòu)破壞或不可逆形變。
超彈性
該材料具有優(yōu)異的彈性性能，回彈速度高達(dá)860 mm s-1，能量損耗系數(shù)低至0.16，與傳統(tǒng)碳材料相比，兼具彈性與強(qiáng)度。
這種新型HCA實(shí)現(xiàn)了彈性和強(qiáng)度之間的平衡，研究者探究了其作為大量程壓阻式傳感器，以及可拉伸/可彎曲導(dǎo)體的相關(guān)性質(zhì)。結(jié)果表明，該彈性導(dǎo)體具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)和組分的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)在苛刻環(huán)境下工作（如液氮中）。
該研究的最大意義在于，通過自然材料的啟發(fā)和精心設(shè)計(jì)的微觀結(jié)構(gòu)，可以將傳統(tǒng)的脆性僵硬的樹脂轉(zhuǎn)變成高性能的超彈性的硬碳?xì)饽z材料，與傳統(tǒng)碳材料相比，該氣凝膠具有極高的回彈速度、極低的能量損耗、同時(shí)保持高強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該方法有望擴(kuò)展到制備其他非碳基納米纖維材料，并提供了一種通過設(shè)計(jì)納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)將剛性材料轉(zhuǎn)變成彈性或柔性材料的新思路。
參考文獻(xiàn)：Zhi-Long Yu，BingQin，Zhi-Yuan Ma，Jin Huang，Si-Cheng Li，Hao-Yu Zhao，Han Li，Yin-Bo Zhu，Heng-An Wu，and Shu-Hong Yu*，Superelastic Hard Carbon Nanofiber Aerogels，Adv.Mater.2019，1900651
