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  二維納米片層材料（如石墨烯、MXene、氮化硼等）憑借其高比表面積和優(yōu)異性能，成為構(gòu)建三維多孔氣凝膠的理想材料。然而，當(dāng)前二維材料氣凝膠的制備策略多依賴于液相分散體系,存在工藝復(fù)雜、能耗高、結(jié)構(gòu)脆弱等問(wèn)題，難以滿足批量化應(yīng)用需求。盡管工業(yè)上成熟的聚合物泡沫熱發(fā)泡技術(shù)為二維材料氣凝膠的制備提供了新思路，但二維片層間強(qiáng)烈的范德華力會(huì)抑制氣泡膨脹，導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂。通過(guò)溶劑插層塑化可有效削弱二維片層的層間結(jié)合作用力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)可控發(fā)泡制備氣凝膠。但是，如何進(jìn)一步避免過(guò)量溶劑使用，建立無(wú)溶劑體系的熱塑性發(fā)泡方法制備二維材料氣凝膠仍有待探索。

  近期，浙江大學(xué)龐凱專職研究員、許震副教授、高超教授團(tuán)隊(duì)基于前期溶塑性發(fā)泡技術(shù)的研究積累，進(jìn)一步開發(fā)出一種聚合物插層的無(wú)溶劑熱塑性發(fā)泡（TPF）方法。該方法采用聚合物聚乙二醇作為插層塑化劑，通過(guò)精確控制聚合物插層量，使氧化石墨烯復(fù)合材料在超過(guò)臨界層間距時(shí)實(shí)現(xiàn)從剛性到塑性的熱誘導(dǎo)轉(zhuǎn)變，成功克服了二維片層在熱發(fā)泡過(guò)程中的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問(wèn)題（圖1）。該制備方法可精確調(diào)節(jié)石墨烯氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)特征，所制備的石墨烯氣凝膠具有可調(diào)控的孔徑（49.7-84.8 μm）、孔壁厚度（0.4-8.4 μm）與密度（73-843 mg/cm³）（圖2-3）。經(jīng)熱處理后，材料展現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性（>95%應(yīng)變回復(fù)）與導(dǎo)電導(dǎo)熱性能（分別達(dá)8.0×10³ S/m與44.9 W/m·K），在結(jié)構(gòu)力學(xué)與功能響應(yīng)方面兼具高穩(wěn)定性與重復(fù)性（圖4）。該技術(shù)的普適性優(yōu)勢(shì)顯著，可成功拓展至氮化硼（BN）、蒙脫土（MMT）和MXene（Ti₃C₂T_X）等多種二維材料體系，同時(shí)兼容大尺寸材料成型與3D打印工藝（圖5）。這一技術(shù)突破不僅證實(shí)了其在多功能多孔材料制備中的通用性，更為設(shè)計(jì)具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型輕質(zhì)功能材料提供了可靠的制備方法，展現(xiàn)出廣闊的工程應(yīng)用前景。

  2025年7月2日，相關(guān)成果以“Solvent-free Thermoplastic Foaming for Superelastic Graphene Monoliths”為題發(fā)表于國(guó)際期刊《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-61123-3）。浙江大學(xué)高分子系博士李澤莘、碩士生李曉彤為論文共同第一作者。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等經(jīng)費(fèi)的支持。

圖1. 熱塑性發(fā)泡石墨烯氣凝膠的制備機(jī)理與結(jié)構(gòu)演變

圖2. 石墨烯基熱塑性發(fā)泡材料的層間塑化機(jī)理

圖3. 氣泡形成機(jī)制與結(jié)構(gòu)調(diào)控

圖4. TPF法制備的石墨烯氣凝膠材料的力學(xué)性能表征

圖5. TPF方法的形狀與材料普適性

  浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)十余年來(lái)專注石墨烯二維材料及其宏觀組裝研究，在石墨烯氣凝膠、石墨烯纖維和石墨烯膜領(lǐng)域取得重要突破。團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)理論到規(guī)模制備形成系統(tǒng)研究體系，實(shí)現(xiàn)了材料性能調(diào)控與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新。該工作是團(tuán)隊(duì)近期關(guān)于石墨烯氣凝膠宏觀組裝研究的最新進(jìn)展之一。團(tuán)隊(duì)先后提出“連續(xù)溶塑發(fā)泡”（Sci. Adv., 2020, 6, eabd4045）、“超薄納米鼓共振”（Adv. Mater. 2022, 34, 2103740）、“拓?fù)鋵蛹?jí)強(qiáng)韌化”（Adv. Mater., 2024, 37, 2417462）、“二維節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)”（Adv. Mater., 2024, 2414410）及“快速熱塑發(fā)泡”（Nat. Commun., 2025, 16, 6087）等策略，突破了氣凝膠連續(xù)化制備方法，建立了其多尺度結(jié)構(gòu)力學(xué)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了其在復(fù)合材料、熱管理及人工智能傳感等方面的應(yīng)用。這些研究不僅推動(dòng)了石墨烯宏觀組裝材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程，也為高性能輕質(zhì)多孔材料的可控設(shè)計(jì)提供了新原理及新方法。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61123-3

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