经过10余年的探索，浙江大学高分子学系高超教授团队成功制备出具有微穹顶结构的高弹气凝胶，其耐热能力突破了2000摄氏度（2273K）大关，在反复挤压下依然保持轻盈高弹、性能稳定。“此项突破不仅为气凝胶产业注入了高效普适的新型制备范式，更打通了极端温度环境应用的全新路径。”高超告诉《中国科学报》。

多种类型的微穹顶气凝胶堆叠。（浙大供图）

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这一颠覆性成果，源于一种全新的气凝胶构筑方法——氧化石墨烯基二维通道受限发泡法。这是一种简便且通用的制备方法。气凝胶，世界上最轻的材料之一，素有“凝固的烟”之称。团队采用这一路线制备了数百种气凝胶，它们具有独特的隔热能力和高弹性，有望在深空探测器、超音速飞行器、核聚变装置中提供热防护。相关研究论文于7月18日发表于《科学》杂志。

让气凝胶“弹”起来

两个不锈钢“铁掌”之间，几片气凝胶被压缩到薄薄一张纸的厚度，形变达到了99%。神奇的是，这样数万次的压缩，气凝胶每一次都能重新支棱起来，弹回到原来形状。对于传统气凝胶来说，这样的压缩足以让其“粉身碎骨”，而高超团队通过改变气凝胶内部的气孔形状，实现了材料从脆变弹。

气凝胶中90%以上都是微纳米级的气孔，它们通常是蜂窝或拱形结构，高超团队则引入了穹顶结构。“传统气凝胶中的孔隙结构大多是有棱有角的，而我们的孔隙是微米级的穹顶曲面。”论文共同第一作者、浙江大学先进技术研究院庞凯专职研究员说，穹顶结构常见于生物体和建筑工程中，以其卓越的承载能力和机械稳定性著称。“存放鸡蛋的槽孔也是穹顶形状，它能够更好消化外部冲击。”

高超团队与西安交通大学刘益伦教授团队合作，指出穹顶结构不可展曲面特性会形成丰富的可恢复褶皱，这能让材料储存更多的弹性应变能。计算机仿真模拟显示，微穹顶结构的弹性应变能存储能力至少是传统结构的10倍，从而让气凝胶展现弹性抗压的特性。高超认为，这一结构代表了多孔材料领域全新的曲率设计理念，可启发更多新材料的创制。

在“夹缝”中构筑气泡

微穹顶气泡是用一种全新的制备方法构筑的，灵感则来自于“大象牙膏”实验：过氧化氢（H₂O₂）在催化剂的作用下加速分解产生氧气，大量气体与发泡剂混合后形成泡沫喷涌而出，仿佛伸出烧杯的大象鼻子。

“我们提出了二维通道受限发泡的方法，让产气发泡过程发生在氧化石墨烯夹层之间。”高超介绍，二维的氧化石墨烯具有丰富的含氧功能基团，它们能高效捕捉金属离子，防止层间金属离子脱出。常温常压下加入发泡剂后，大量球形气泡在一层层氧化石墨烯之间成核、涌出，留下了微穹顶结构的气孔。

“这个过程就像做面包，面包切面上的气孔，就是酵母呼吸作用产生的二氧化碳留下的。”庞凯说，这种二维通道受限发泡的方法操作简单，整个过程不需要高能耗的冷冻干燥或超临界干燥技术，也不依赖复杂昂贵的设备。

高超团队长期致力于石墨烯气凝胶材料的研究。2013年，团队制备的石墨烯碳气凝胶创造了当时世界最轻材料的记录；多年来，高超团队一直将制备方法的探索作为重点，他们认为，这是气凝胶从实验室走向现实应用的关键。

论文共同通讯作者，浙江大学高分子学系许震长聘副教授说，二维通道受限发泡的方法具有很大的普适性。石墨烯可与金属、氧化物、碳化物等各种物质组成杂化气凝胶，涵盖121种氧化物、38种碳化物及35种金属体系，大大扩展了气凝胶种类。此外，课题组实现了高熵材料组分的可控设计，其组分可调至含有多达30种元素的高熵态。“我们希望它能成为一个材料家族的创新平台，从单一组分到高熵组分，从导电金属到绝缘陶瓷，从透明、黑白到彩色等等。”高超说。

耐热超过2000°C

距离太阳610万公里处，帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）创造了史上距离太阳表面最近的记录。高温是限制其靠近太阳的最大障碍，据相关资料，现有隔热罩可耐受1650°C的高温。有没有一种材料能够超越这一纪录，耐受更高温度的挑战呢?

高超团队创造的“烯陶”气凝胶可能具备这种能力：它的一半是陶瓷、一半是石墨烯，是两者在原子层面的二维杂化。它不像普通陶瓷那样易碎，而是柔软Q弹；实验显示，烯陶气凝胶在宽温域范围具有突出的力学弹性，不仅常温下能被反复压缩，而且在4.2K（-268.8℃）深冷至2273K（2000℃）超高温环境中仍保持99%弹性应变的优异性能。

论文共同通讯作者，浙江大学高分子学系百人计划研究员刘英军解释说，“烯陶”中的石墨烯显著抑制了二维陶瓷的高温重结晶过程，同时二维陶瓷有效防止了石墨烯片层的超高温滑移。

更令人欣喜的是，研究团队制备的高熵气凝胶在隔热性能上更有优势，室温下导热率仅有13.4 mW/m·K，是空气的一半。所制备的高熵氧化物气凝胶高熵碳化物烯陶气凝胶在1273 K时为53.4 mW/m·K，在2273 K时为171.1 mW/m·K，且在2273K的反复热冲击100次维持结构稳定，为极端温度环境下的热防护提供了新的材料选择。

“我们相信二维受限发泡法会打开众多未知的多孔材料世界，其中有更多优异性能及应用场景等待我们去发现。”高超说。在未来，或许这种如烟却坚韧的新材料，能让探测器更接近太阳；也许有一天，我们穿上它制成的热防护服，能够深入地球内部，见识那些至今未曾所见的奇异景观。

该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、浙江省领雁计划、中央高校基金等项目的支持。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adw5777