轻质结构材料一直是材料科学追求的终极目标——在极低密度下同时实现高强度、高刚度和大弹性变形。然而，这些性能之间往往存在不可调和的权衡关系（trade-off）：高强度和高刚度通常意味着材料硬而脆，缺乏变形能力；而大弹性变形则意味着材料柔软但承载能力有限。这种矛盾在碳材料领域尤为突出——硬碳拥有”纸牌屋”式的碳层排列，强度高、刚度大，但变形能力差、易脆断；软碳层间滑移容易，弹性变形大，但强度和刚度偏低。尽管硬碳和软碳的元素组成完全相同，结构差异却导致了截然不同的力学行为。
如何打破性能权衡，在低密度下同时实现硬碳级别的强度/刚度和软碳级别的弹性变形能力，是结构材料领域的核心挑战。自然界经过亿万年进化，提供了完美的解决方案——墨鱼骨（cuttlebone）具有独特的层壁架构（lamella-wall architecture），由水平层板和垂直支柱构成”工字梁”式结构，在极低密度下同时实现了高比强度、高比刚度和高能量吸收。这种生物结构为打破材料性能权衡提供了仿生灵感。石墨烯作为最强韧的二维材料，其本征力学性能远超传统材料，但将纳米尺度的优异性能传递到宏观三维结构中仍是巨大挑战。现有的石墨烯气凝胶和泡沫材料往往存在结构无序、力学性能不佳等问题，难以同时实现高强度和大弹性变形。
本文，浙江大学、李鹏专职研究员、许震 特聘研究员、刘英军特聘研究员、高超教授团队在《Advanced Materials》期刊发表名为”Lightweight, Strong, and Resilient 3D Graphene Metamaterial via a Multi-flow Assembly”的论文。该研究创新性地提出了多流组装（Multi-flow Assembly）策略，受墨鱼骨仿生启发，构筑了层壁架构3D石墨烯超材料，成功将低密度硬碳的机械稳健性与软碳的弹性变形能力集成于一体。
该工作的核心创新在于：(1) 多流组装策略——通过多通道共挤出工艺，直接操纵单个石墨烯片的排列纹理，精确构筑墨鱼骨式层壁架构；(2) 层壁架构仿生设计——水平石墨烯层板提供弯曲刚度和面内强度，垂直支柱提供剪切支撑和层间连接，实现”工字梁”式力学增强；(3) 性能权衡突破——3D石墨烯超材料在极低密度下同时实现了高强度、高刚度和90%应变下的超弹性，打破了传统材料性能不可兼得的困局；(4) 通用性——多流组装方法可通过调节流动参数和模板设计，制备各种架构的超材料，为探索宏观超材料的独特性质开辟了新途径。
图1、Fabrication of graphene metamaterials via multi-flow wet-assembly. (a) Schematic illustration of the facile fabrication process for graphene metamaterials, involving the wet-extrusion of GO liquid crystals through a customized multi-flow channel followed by coagulation. (b) Schematic of velocity distribution within individual holes of the multi-flow patterns, where the center regions have the highest velocity but lowest shear rate, while the frictional forces in the boundary layer result in much lower fluid velocity at edges compared to the center, yielding a GO liquid crystal texture with alternating light and dark bands. (c) 3D reconstructed structure of the LWGM-1000. (d) SEM image of LWGM in the x–z plane, where the layer distance is denoted as h. (e) Digital photo of the fabricated 10 mg cm−3 LWGM standing on a flower, indicating its ultralow density. (f–i) Cross-sectional SEM images (y–z plane) of PGMs fabricated through varied multi-flow channels with designed patterns: hexagonal multi-flow (f), triangular multi-flow (g), rhombic multi-flow (h), and square multi-flow (i). Scale bar, 50 µm (b), 500 µm (d), 1 cm (e), 300 µm (f–i).
总而言之，该工作创新性地提出了多流组装策略，受墨鱼骨仿生启发，构筑了层壁架构3D石墨烯超材料，成功将硬碳的机械稳健性与软碳的弹性变形能力集成于一体。核心发现与贡献包括：
- 多流组装新范式——通过多通道共挤出直接操纵石墨烯片排列纹理，精确构筑仿生层壁架构，为3D超材料制备提供了通用可编程方法；
- 性能权衡突破——层壁架构合理强化和刚化石墨烯超材料（硬碳式强度/刚度），同时保留90%应变下的超弹性（软碳式变形能力），打破了传统材料性能不可兼得的困局；
- “工字梁”力学增强机制——水平层板提供弯曲刚度，垂直支柱提供剪切支撑，节点无缝连接消除应力集中，三者协同实现轻质高强高刚；
- 广泛应用前景——轻质承载、能量吸收、可压缩电极、压力传感、电磁屏蔽、热管理等多功能应用，展现了3D石墨烯超材料的独特优势。
该工作为打破材料性能权衡提供了仿生架构设计思路，多流组装策略为按需制备定制化超材料开辟了新途径，对推动轻质高强高韧结构材料在航空航天、防护装备和柔性电子等领域的应用具有重要意义。
文献:https://doi.org/10.1002/adma.73453
本文来自材料分析与应用，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
