兩個不銹鋼“鐵掌”之間，幾片氣凝膠被壓縮到薄薄一張紙的厚度，形變達到了99%。神奇的是，這樣數萬次的壓縮，氣凝膠每一次都能重新支棱起來，彈回到原來形狀。對于傳統氣凝膠來說，這樣的壓縮足以讓其 “粉身碎骨”，而高超團隊通過改變氣凝膠內部的氣孔形狀，實現了材料從脆變彈。

室溫高彈性能實驗展示

氣凝膠中90%以上都是微納米級的氣孔，它們通常是蜂窩或拱形結構，高超團隊則引入了穹頂結構。“傳統氣凝膠中的孔隙結構大多是有棱有角的，而我們的孔隙是微米級的穹頂曲面。”論文共同第一作者、龐凱研究員說，穹頂結構常見于生物體和建筑工程中，以其卓越的承載能力和機械穩定性著稱。“存放雞蛋的槽孔也是穹頂形狀，它能夠更好消化外部沖擊。”

宏觀世界的穹頂結構（左）和氣凝膠內部氣孔的穹頂結構（右）

高超團隊與西安交通大學劉益倫教授團隊合作，指出穹頂結構不可展曲面特性會形成豐富的可恢復褶皺，這能讓材料儲存更多的彈性應變能。計算機仿真模擬顯示，微穹頂結構的彈性應變能存儲能力至少是傳統結構的10倍，從而讓氣凝膠展現彈性抗壓的特性。高超認為，這一結構代表了多孔材料領域全新的曲率設計理念，可啟發更多新材料的創制。

微穹頂氣泡是用一種全新的制備方法構筑的，靈感則來自于“大象牙膏”實驗：過氧化氫（H?O?）在催化劑的作用下加速分解產生氧氣，大量氣體與發泡劑混合后形成泡沫噴涌而出，仿佛伸出燒杯的大象鼻子。

“我們提出了二維通道受限發泡的方法，讓產氣發泡過程發生在氧化石墨烯夾層之間。”高超介紹，二維的氧化石墨烯具有豐富的含氧功能基團，它們能高效捕捉金屬離子，防止層間金屬離子脫出。常溫常壓下加入發泡劑后，大量球形氣泡在一層層氧化石墨烯之間成核、涌出，留下了微穹頂結構的氣孔。“這個過程就像做面包，面包切面上的氣孔，就是酵母呼吸作用產生的二氧化碳留下的。” 龐凱說，這種二維通道受限發泡的方法操作簡單，整個過程不需要高能耗的冷凍干燥或超臨界干燥技術，也不依賴復雜昂貴的設備。

微穹頂結構氣凝膠的制備

高超團隊長期致力于石墨烯氣凝膠材料的研究。2013年，團隊制備的石墨烯碳氣凝膠創造了當時世界最輕材料的記錄；多年來，高超團隊一直將制備方法的探索作為重點，他們認為，這是氣凝膠從實驗室走向現實應用的關鍵。

論文共同通訊作者許震長聘副教授說，二維通道受限發泡的方法具有很大的普適性。石墨烯可與金屬、氧化物、碳化物等各種物質組成雜化氣凝膠，涵蓋121種氧化物、38種碳化物及35種金屬體系，大大擴展了氣凝膠種類。此外，課題組實現了高熵材料組分的可控設計，其組分可調至含有多達30種元素的高熵態。“我們希望它能成為一個材料家族的創新平臺，從單一組分到高熵組分，從導電金屬到絕緣陶瓷，從透明、黑白到彩色等等。”高超說。

距離太陽610萬公里處，帕克太陽探測器（Parker Solar Probe）創造了史上距離太陽表面最近的記錄。高溫是限制其靠近太陽的最大障礙，據相關資料，現有隔熱罩可耐受1650°C的高溫。有沒有一種材料能夠超越這一紀錄，耐受更高溫度的挑戰呢?

2000°C高彈性能實驗展示

高超團隊創造的“烯陶”氣凝膠可能具備這種能力：它的一半是陶瓷、一半是石墨烯，是兩者在原子層面的二維雜化。它不像普通陶瓷那樣易碎，而是柔軟Q彈；實驗顯示，烯陶氣凝膠在寬溫域范圍具有突出的力學彈性，不僅常溫下能被反復壓縮，而且在4.2K（-268.8℃）深冷至2273K（2000℃）超高溫環境中仍保持99%彈性應變的優異性能。論文共同通訊作者，百人計劃研究員劉英軍解釋說，“烯陶”中的石墨烯顯著抑制了二維陶瓷的高溫重結晶過程，同時二維陶瓷有效防止了石墨烯片層的超高溫滑移。

為了測試氣凝膠的超高溫力學性能，團隊搭建了一個可以實時觀測的高溫熔爐

更令人欣喜的是，研究團隊制備的高熵氣凝膠在隔熱性能上更有優勢，室溫下導熱率僅有13.4 mW/m·K，是空氣的一半。所制備的高熵氧化物氣凝膠、高熵碳化物烯陶氣凝膠在1273 K時為53.4 mW/m·K，在2273 K時為171.1 mW/m·K，且在2273K的反復熱沖擊100次維持結構穩定，為極端溫度環境下的熱防護提供了新的材料選擇。

烯陶氣凝膠作為“護花使者”，隔絕高溫炙烤

“我們相信二維受限發泡法會打開眾多未知的多孔材料世界，其中有更多優異性能及應用場景等待我們去發現。” 高超說。在未來，或許這種如煙卻堅韌的新材料，能讓探測器更接近太陽；也許有一天，我們穿上它制成的熱防護服，能夠深入地球內部，見識那些至今未曾所見的奇異景觀。

浙江大學專職研究員龐凱、博士生夏雨星、博士后劉曉婷（已出站）及西安交通大學博士生童文浩為論文的共同第一作者，高超、許震及劉英軍為論文共同通訊作者，浙江大學是唯一通訊單位。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、浙江省領雁計劃、浙江省自然科學基金、中央高?；鸬软椖康闹С?。