作者:徐海涛 来源:新华网 发布时间:2021/9/15 17:56:50
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超轻超弹耐极温!中国科学家研制有望用于外太空探测的“碳弹簧”

 

新华社合肥9月15日电(记者徐海涛)轻似海绵,弹性伸缩如弹簧,可耐从-100℃到350℃的极端温度……提起碳材料,人们往往会想起煤炭、石墨、金刚石,近期中国科学技术大学俞书宏院士团队受人类“足弓”和“弓弩”等结构启发,研制出一种微结构如煎饼果子里的“薄脆”、名为“碳弹簧”的新型碳材料,被认为是制造智能磁性和振动传感器的理想材料,有望用于外太空探测。

碳以多种形式存在于地球,天然碳材料“刚而不柔”,优点是轻、硬、耐高温,缺点是脆。人工合成的多孔碳材料是国际研究热点,其中最出名的是石墨烯,多孔碳能导电,但“脆”仍制约其应用。

为了让多孔碳“刚柔并济”,俞书宏团队巧妙借鉴人类“足弓”结构。

“人的脚是骨骼、肌腱、肌肉等组成的拱形结构,坚固、轻巧、弹性好,能承受压力、缓冲震荡,给我们启发。”俞书宏介绍,近期他们用双向冰模板技术,构筑出一种由“微拱结构”堆叠成的多孔碳材料。

经检测,这种新材料柔韧性极佳,被拉长至1.2倍或压缩至五分之一,仍可回弹复原,还可耐受从-100℃到350℃的温度,实现远超天然碳材料的超强性能。

研究人员将其命名为“碳弹簧”,并用它研制出新型磁性和振动传感器,前者可探测到0.4毫特斯拉的微小磁场,后者可检测每秒1000次、振幅0.5%的高频微小振动,包括模拟地震波。

“这两种传感器能在极温下工作,使其应用于外太空探测成为可能。”中科大副研究员高怀岭展望说,比如探测地外星球的磁场强度、地壳运动、地质结构等。

有趣的是,通过原位扫描电镜观察,“碳弹簧”内部的“波浪形”层叠结构,很像煎饼果子里的薄脆。为何薄脆很“脆”,“碳弹簧”却很韧?据悉,“碳弹簧”的内部微拱形单元厚度仅约100纳米,跨度却达到约100微米,上千倍的“跨度厚度比”,是其“刚柔并济”的秘密所在。

日前,国际知名学术期刊《先进材料》发表了该成果。

 
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