在浙江大學的一間實驗室里，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99%。神奇的是，即便經歷這樣數萬次的壓縮，氣凝膠每一次都能重新支棱起來，彈回原來的形狀。對于傳統氣凝膠來說，這樣的壓縮足以讓其“粉身碎骨”，而浙江大學教授高超團隊通過改變氣凝膠內部的氣孔形狀，讓材料從脆變彈。

多種類型的微穹頂氣凝膠堆疊。浙江大學供圖

這是高超團隊10余年來探索的成果。他們成功制備出具有微穹頂結構的高彈氣凝膠，其耐熱能力突破2000攝氏度（2273開爾文）大關，在反復擠壓下依然保持輕盈高彈、性能穩定。

“此項突破不僅為氣凝膠產業注入了高效、普適的新型制備范式，還打通了極端溫度環境應用的全新路徑。”高超告訴《中國科學報》。

這一顛覆性成果源于一種全新的氣凝膠構筑方法——氧化石墨烯基二維通道受限發泡法。這是一種簡便并且通用的制備方法。研究團隊采用這一路線制備了數百種氣凝膠，它們都具有獨特的隔熱能力和高彈性，有望在深空探測器、超音速飛行器、核聚變裝置中提供熱防護。相關研究論文7月18日發表于《科學》。

氣凝膠是世界上最輕的材料之一，素有“凝固的煙”之稱。氣凝膠中90%以上都是微納米級的氣孔，通常呈蜂窩或拱形結構，而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有棱有角，而我們的孔隙是微米級的穹頂曲面。”論文共同第一作者、浙江大學先進技術研究院專職研究員龐凱說，穹頂結構常見于生物體和建筑工程中，以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，它能夠更好地抵消外部沖擊。”

高超團隊與西安交通大學教授劉益倫團隊合作，揭示了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，可啟發創制更多新材料。

微穹頂氣泡是用一種全新的制備方法構筑的，靈感來源于“大象牙膏”實驗：過氧化氫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，二維氧化石墨烯具有豐富的含氧功能基團，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。

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紀錄。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、浙江大學長聘副教授許震說，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，研究團隊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。”高超說。

距離太陽610萬公里處，美國帕克太陽探測器創造了史上距離太陽表面最近的紀錄。高溫是限制其離太陽再近一些的最大障礙，相關資料顯示，其現有隔熱罩可耐受1650攝氏度的高溫。

那么，有沒有一種材料能夠耐受更高溫度呢？

高超團隊創造的“烯陶”氣凝膠可能具備這種能力。它一半是陶瓷、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、有彈性。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，在4.2開爾文（-268.8攝氏度）深冷至2273開爾文（2000攝氏度）超高溫環境中仍能保持99%彈性應變。

論文共同通訊作者、浙江大學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。

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，室溫下導熱率僅為13.4毫瓦/米·開爾文，是空氣的一半。他們制備的高熵氧化物氣凝膠、高熵碳化物烯陶氣凝膠在1273開爾文下為53.4毫瓦/米·開爾文，在2273開爾文下為171.1毫瓦/米·開爾文，且在2273開爾文的反復熱沖擊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。

“我們相信二維通道受限發泡法會打開許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發現。”高超說，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，人們穿上它制成的熱防護服，能夠深入地球內部，探索前所未見的奇異景觀。