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質(zhì)輕、多孔、易導(dǎo)電、易壓縮的碳基材料自問世之初就吸引著廣大研究人員的目光。一直以來，這類材料一般以石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、富勒烯等作為原料合成，盡管以此得到的眾多材料展現(xiàn)出了十分優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能，但原料難以制備、非可再生的缺陷制約它的發(fā)展。因此，如何發(fā)展一種廉價、簡單并且可以規(guī)模化生產(chǎn)的制備路線成為了該領(lǐng)域的一個難題。

材料的彈性壓縮性能需要合理的亞結(jié)構(gòu)設(shè)計，在日常生活中，最常見的可機(jī)械壓縮結(jié)構(gòu)就是彈簧了。通過彈簧線的扭曲和壓縮，彈簧可以大大地吸收震動，另外一種具有可壓縮性能的結(jié)構(gòu)就是蜂巢——受到這些結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，來自美國University of Maryland與我國華中科技大學(xué)的聯(lián)合團(tuán)隊開發(fā)了一種類似海綿的可壓縮碳基材料，展現(xiàn)出了良好的力學(xué)與電學(xué)性能，該論文的通訊作者為馬里蘭大學(xué)胡良兵教授和李騰教授，華中科技大學(xué)謝佳教授。由于原料為木頭，且材料通過碳化來制備，研究者將其稱為“木-碳海綿” （wood carbon sponge, 以下簡稱為WCS）。

Figure 1. WCS的制備路線示意圖

WCS的制備并不是非常復(fù)雜。首先將木塊經(jīng)堿性條件下的Na2SO3處理，則木頭中的木質(zhì)素發(fā)生磺化并被去除，同時，半纖維素與部分纖維素也發(fā)生了溶解，第二步繼續(xù)進(jìn)行H2O2處理, 則木頭中的方格結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的被破壞，在后續(xù)的凍干過程中，產(chǎn)生獨(dú)特的類蜂巢的層狀結(jié)構(gòu)。并且，經(jīng)過高達(dá)1000度的碳化處理，這種蜂巢結(jié)構(gòu)可以較大程度地保留下來（Fig 2D-E）。與之對比的是，如果木頭不經(jīng)過化學(xué)處理而直接高溫碳化，則直接保留原來的方格結(jié)構(gòu) （Fig2A-C）。

Fig.2 A-C: 木頭直接經(jīng)過碳化處理后的微觀方格狀結(jié)構(gòu)；D-F: 碳化處理后，WCS材料的層狀結(jié)構(gòu)。

由于獨(dú)特的層狀多孔微觀結(jié)構(gòu)的存在，WCS材料的密度很低，與原始木頭原料相比，其密度低了約10倍。同時展現(xiàn)出類類似海綿狀材料的力學(xué)行為。在形變小于 20%階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出線性變化，表明該階段發(fā)生彈性形變，在20% < 形變< 60%階段，應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)平臺區(qū)，而在形變>60%階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變快速上升。該材料的最大形變量為壓縮80%，并且穩(wěn)定性高，能耐受多次循環(huán)壓縮。

Fig.3 A/B: WCS 應(yīng)力應(yīng)變曲線；3C: 每個壓縮周期的能量損失，3D: 近碳化處理后的材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線； 3E: 50% 形變下，循環(huán)10000周期后的彈性強(qiáng)度。

WCS同時展現(xiàn)了較高的壓力-電阻敏感度，研究者利用這種材料做成了一個簡單的電子元件，證明其可用于穿戴設(shè)備的潛力。

Fig.4  基于WCS的應(yīng)變傳感器性能

總之，WCS這種獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)以及出色的機(jī)械和電氣性能可能有助于在未來實(shí)現(xiàn)許多的應(yīng)用，包括可穿戴電子設(shè)備，可充電電池，超級電容器，可用于人體健康監(jiān)測等。此外，WCS的制造工藝流程簡單，具有可持續(xù)性和可擴(kuò)展性，從而為可持續(xù)性地利用自然資源開發(fā)海綿狀功能材料開辟了新機(jī)遇。

參考文獻(xiàn)：

Chaoji Chen et al, Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge, Chem (2018). DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.028