雕刻技術是人類智慧的瑰寶，無論是隨處可見的木頭、石材和獸(shou) 骨，還是稀有的金屬與(yu) 玉石，經過人類的雕琢就可以成為(wei) 實用的工具或者價(jia) 值不菲的藝術品。作為(wei) 新興(xing) 的烯碳材料，石墨烯氣凝膠具有超高的比表麵積以及優(you) 異的力學與(yu) 導電導熱性質，但現有的加工手段限製了其進一步的應用。如果可以將雕刻技術應用於(yu) 石墨烯氣凝膠，將賦予石墨烯更多的功能性與(yu) 價(jia) 值。然而，石墨烯氣凝膠自身較弱與(yu) 軟的性質限製了傳(chuan) 統雕刻方法的使用，同時，傳(chuan) 統雕刻與(yu) 其他塑形方法的精度也無法滿足微納加工的尺寸需求。另一方麵，石墨烯氣凝膠自身的微觀結構決(jue) 定著其本征的力學性能，過於(yu) 薄與(yu) 弱的石墨烯壁無法承載石墨烯氣凝膠在變形過程中的應力需求，很容易出現微觀屈曲並伴隨永久形變，最終導致形狀無法恢複。

圖1 a傳(chuan) 統木雕生產(chan) 的生活用品以及藝術品，b快速激光加工成型石墨烯氣凝膠過程，c激光雕刻石墨烯氣凝膠牡丹花樣品，d激光雕刻石墨烯氣凝膠可重複組裝的鷹樣品。

近日，清華大學曲良體(ti) 教授團隊與(yu) 福州大學吳明懋副教授等合作，通過快速激光雕刻與(yu) 微觀剛度增強的方法，製備了一種超彈的石墨烯“超凝膠”（GmA）。微觀剛度增強采用一維納米纖維與(yu) 二維石墨烯壁互鎖的結構，構造出了一種連續可靠的長程穩定結構，這也是自然界中最有效的增強增韌方式，由此構造的GmA在經曆1000次50%的壓縮應變後，應力保持率可以維持在95%，原始形狀也沒有任何改變，其耐壓縮能力遠超原始的石墨烯氣凝膠（PGA）與(yu) 大部分的碳氣凝膠。通過密度泛函計算與(yu) 分子動力學模擬，其微觀剛度增強的機製也被詳細的證明，一維納米纖維與(yu) 二維石墨烯壁互鎖的結構可以有效增強石墨烯壁的彎曲剛度，因此，在形變過程中，GmA的石墨烯壁更易於(yu) 發生整體(ti) 的形變，有利於(yu) 能量的均勻耗散，而PGA的石墨烯壁較弱，很容易發生微觀屈曲，導致永久形變的發生。

圖2 a GmA製備流程，b 經過壓縮後的GmA的應力與(yu) 應變保持率與(yu) 文獻對比圖，c 理論模擬與(yu) 實驗結果經過歸一化後壓縮的相對應變能與(yu) 應變關(guan) 係圖，d 石墨烯骨架彎曲剛度與(yu) 納米纖維初始密度的關(guan) 係圖。

基於(yu) GmA優(you) 異的力學性能，通過激光雕刻可以快速加工出具有豐(feng) 富功能性的GmA，例如，激光可以輕易地對GmA塑形，形成蛇形、品字形、螺旋形的GmA結構，賦予GmA可拉伸性。除此之外，激光可以將GmA雕刻成不同的中空結構，並不斷減少其比重，甚至可以減少到0.1 mg cm⁻³，在這種情況下，GmA僅(jin) 通過靜電力就可以克服自身重力，同時還具有優(you) 秀的耐壓縮能力。經過力學結構的設計，激光亦可以賦予GmA不同的泊鬆比（−0.95 < v < 1.64），其範圍超越了過去文獻報道的不同方法。

圖3 a 激光雕刻的GmA不同中空結構與(yu) 比重，b 通過靜電力吸附在打印紙上的超輕GmA，c 超輕GmA經過50次80%應變的壓縮循環照片，d不同泊鬆壁的GmA在壓縮過程中的快照，e 不同泊鬆比的GmA的有限元分析圖，f不同泊鬆壁的GmA在壓縮過程中的應變與(yu) 泊鬆比關(guan) 係圖。

這一成果有效地構建了微觀結構增強的石墨烯氣凝膠，並利用激光快速雕刻的方式形成了功能性豐(feng) 富的GmA，為(wei) 烯碳材料的進一步應用提供了理論指導與(yu) 技術基礎，該文章近期發表在Nature Communications上。