近日，高烯科技创始人兼首席科学家、浙江大学高超教授团队在气凝胶材料领域取得重大突破，相关研究成果以“Dome-celled aerogels with ultra-high-temperature superelasticity over 2273 K”为题，发表于Science（10.1126/science.adw5777）。

团队提出一种简便普适的氧化石墨烯基二维通道受限发泡法，首创新型微穹顶胞元结构，合成出数百种高弹性气凝胶。这些气凝胶不仅在4.2 K至2273 K的宽温域内表现出优异弹性，而且具有极高的热稳定性和耐疲劳性，展示出在极端热力环境下作为结构材料的巨大应用潜力。

气凝胶，一种轻质多孔材料，被誉为“固态烟雾”或“冻结的蓝烟”。自1931年美国Kistler开创溶胶-凝胶制备法以来，气凝胶的高孔隙率、超低密度及高隔热特性，使其成为深空探测器、超音速飞行器、核聚变装置等热防护理想候选材料。2021年，气凝胶被《科学》杂志评为“改变世界的十大新材料之首”。常见工业产品为二氧化硅气凝胶粉体，通过与玻璃纤维、聚合物等复合，可加工为棉毡、板材等形态，主要应用于建筑及管道保温、新能源电池隔热防火等领域。

然而，气凝胶的发展与应用仍面临诸多难题：一是简便且通用的制备方法，传统方法（如冷冻干燥、超临界二氧化碳法）能耗高、效率低、尺度受限，且所制备的物质组分有限，复杂高熵体系难以企及；二是微胞元结构的合理构建，解决陶瓷气凝胶弹性差（循环压缩应变一般低于70%）的难题；三是极端温域下的性能突破，超轻材料在超高温（>1600℃）环境下的高弹性压缩仍属“无人区”。

为此，浙江大学高分子系高超教授团队经过长期探索与实践，提出一种简便普适的氧化石墨烯基二维通道受限发泡法，首创新型微穹顶胞元结构，合成出数百种高弹性气凝胶，与西安交通大学刘益伦教授团队合作进行了穹顶结构力学计算模拟。

01 二维通道受限发泡法：简便通用制备新范式

本文报道了一种普适的二维通道受限发泡制备方法。因氧化石墨烯丰富的含氧功能基团、单层原子级厚度及规模化生产能力，优选其作为二维通道前驱体实现金属盐离子的高效捕捉，其中氧化石墨烯基团螯合作用及二维片层阻隔效应可有效防止层间金属离子反应过程中的脱出；经常温常压发泡，形成微穹顶孔结构，其间球形气泡的层间成核与生长是气凝胶内部形成微穹顶胞元结构的关键；经加热或还原转化，实现了金属、氧化物、碳化物等及其与石墨烯的二维杂化气凝胶的普适性合成。整个制备过程，不再需要冷冻干燥等传统成孔办法，简便、高效，可连续制备多形态气凝胶。

穹顶结构常见于生物体和建筑工程中，以其卓越的承载能力和机械稳定性著称，本文首次将微穹顶结构引入气凝胶中。有限元分析表明，穹顶结构不可展曲面特性会形成丰富的可恢复褶皱以存储弹性应变能，其弹性应变能存储能力至少是传统蜂窝结构和拱形结构的10倍，是实现高弹性气凝胶的理想微观基元结构。这一结构代表了多孔材料领域全新的曲率设计理念，为新材料创制和新物理现象探索提供了新范式。

02 新型气凝胶化学多样性数据库

本文成功合成了一系列超轻的微穹顶胞元结构气凝胶，涵盖121种氧化物、38种碳化物及35种金属体系，基于二维层间受限反应及混合熵原则，实现了高熵材料组分的可控设计，其组分可调至含有多达30种元素的高熵态，大大扩展了气凝胶种类。研究深入揭示了该类超轻气凝胶是由二维层状晶体以微穹顶几何胞元结构所构筑的一类新型材料，表现出超高的弹性压缩率（99%），在传感、催化和热管理等方面展现出优异的功能特性。

03 极端温域高弹性突破

本文发明了一类新型烯陶气凝胶材料，即石墨烯与陶瓷原子级别的二维杂化，揭示了烯陶气凝胶在宽温域范围具有突出的力学弹性，不仅常温下99%弹性应变20,000次循环，而且在4.2 K深冷至2273 K超高温环境中仍保持99%弹性应变的优异性能。突破陶瓷重结晶及碳材料石墨化失效温度极限，石墨烯显著抑制了二维陶瓷的高温重结晶过程，同时二维陶瓷有效防止了石墨烯片层的超高温滑移，回答了超轻材料的超高温弹性问题。

04 跨温域高效隔热气凝胶

本文发现二维微穹顶结构的高熵气凝胶在隔热性能上展现出显著优势，主要归因于二维各向异性热传输及高熵组分晶体效应，所制备的高熵氧化物气凝胶室温下导热率仅有13.4 mW/m·K（空气为26 mW/m·K），高熵碳化物烯陶气凝胶在1273 K时为53.4 mW/m·K，在2273 K时为171.1 mW/m·K，且在2273 K的反复热冲击100次维持结构稳定，为极端温度环境下的热防护提供了新的材料选择。

该研究为气凝胶发展构建了广阔的材料平台，涵盖从单一组分到高熵组分，从导电金属到绝缘陶瓷，从透明、黑白到彩色等多种体系。

该工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、浙江省领雁计划、中央高校基金等项目的支持。

高超教授团队长期致力于石墨烯气凝胶材料的研究，不断改进制备方法，探索多功能应用。如，早在2013年，在《先进材料》报道了最轻固体材料——石墨烯碳气凝胶；2020年在《科学进展》报道了一种溶剂塑化发泡方法连续化批量制备石墨烯气凝胶。团队十多年来一直思考如何实现高弹性气凝胶材料体系的快速规模化制备，历经五年完成本文研究工作。

“我们相信二维受限发泡法会打开众多未知的多孔材料世界，其中有更多优异性能及应用场景等待我们去发现。” 高超表示。

作为高超教授创立的创新型企业，高烯科技正致力于该项技术的产业化，面向航天航空、热防护、环境治理等场景，加速推动石墨烯气凝胶材料的应用落地。