中新社杭州10月15日电(曹丹)薄薄一层石墨烯膜，既能扛住巨大拉力，又不易脆断，还能像橡皮筋一样回弹——这一材料学界长期难以兼得的性能，如今被中国科研团队攻克。
浙江大学长聘副教授许震、教授高超领衔的团队联合清华大学教授徐志平团队，在石墨烯膜中发现“层间折叠卡扣”的新结构与新机制，首次让石墨烯膜兼具高强度、高韧性与高弹性，相关成果14日晚发表在《自然》期刊。
石墨烯是一种“原子级厚度却比钢还强”的二维材料，常被当作基础“砖块”，用来搭建石墨烯纤维、薄膜、气凝胶等高性能宏观材料。强度和韧性，是衡量其力学性能的两项关键指标：前者决定材料能承受多大载荷，后者反映材料抵抗裂纹扩展和断裂的能力。
如何跳出“强而不韧、韧而不强”的两难，让材料既强又韧，是该领域持续多年的难题。
浙江大学团队通过低温氧化策略，制备出一种表面布满折叠结构的新型多层氧化石墨烯片。该纳米片平均厚度约为9.1纳米，表面折叠厚度仅2纳米左右。研究者把这些纳米片当作“积木单元”，组装成层间彼此咬合的石墨烯膜。
9月21日，浙江大学长聘副教授许震借助模型展示石墨烯片相互咬合的过程。曹丹 摄
与传统的平直堆叠不同，这些折叠结构能够在层与层之间形成软性“机械卡扣”：材料受力时可发生可逆的弹性形变，又能有效阻止层间滑移脱开。
测试显示，由此制得的石墨烯膜拉伸强度达2.9吉帕，韧性达84.5兆焦每立方米；在4%的高应变下循环100次后，仍能承受1.9吉帕的高应力，多项指标打破传统层状材料力学性能纪录。
这种“咬合”为何如此结实？两校团队通过力学计算和分子模拟发现：当材料整体受拉时，相邻折叠条带逐渐接触挤压，把部分“拉力”转化为层间“推力”，形成由“拉”转“推”的力链转换。据此，团队提出了全新的“剪切互锁”力学模型，区别于层状材料长期沿用的传统“剪切滞后”机制，实现了高达96%的应力传递效率。
研究者认为，该成果打开了二维材料设计新思路，研究不再只在“平面堆叠”上做文章，而是通过改变片层空间构型创造新的作用方式。兼具强、韧、弹的石墨烯膜，有望为航空航天轻量化结构、高性能复合材料及抗冲击防护装备等领域提供新的设计方案。(完)
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