一塊木頭，經過簡單的處理就可變為兼具柔性和韌性的碳基“海綿”。近日，來自美國University of Maryland與我國華中科技大學的合作團隊在國際知名期刊《Chem》上發表論文，通過合理利用天然木材的結構，通過的簡單的物理化學方法將木材轉化為碳基“海綿”，為這一類新型材料的製備探索了新的路線。
質輕、多孔、易導電、易壓縮的碳基材料自問世之初就吸引著廣大研究人員的目光。一直以來，這類材料一般以石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、富勒烯等作為原料合成，儘管以此得到的眾多材料展現出了十分優異的電學、力學性能，但原料難以製備、非可再生的缺陷制約它的發展。因此，如何發展一種廉價、簡單並且可以規模化生產的製備路線成為了該領域的一個難題。
材料的彈性壓縮性能需要合理的亞結構設計，在日常生活中，最常見的可機械壓縮結構就是彈簧了。通過彈簧線的扭曲和壓縮，彈簧可以大大地吸收震動，另外一種具有可壓縮性能的結構就是蜂巢——受到這些結構的啟發，來自美國University of Maryland與我國華中科技大學的聯合團隊開發了一種類似海綿的可壓縮碳基材料，展現出了良好的力學與電學性能，該論文的通訊作者為馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授，華中科技大學謝佳教授。由於原料為木頭，且材料通過碳化來製備，研究者將其稱為“木-碳海綿” （wood carbon sponge, 以下簡稱為WCS）。
Figure 1. WCS的製備路線示意圖
WCS的製備並不是非常複雜。首先將木塊經鹼性條件下的Na2SO3處理，則木頭中的木質素髮生磺化並被去除，同時，半纖維素與部分纖維素也發生了溶解，第二步繼續進行H2O2處理, 則木頭中的方格結構進一步的被破壞，在後續的凍幹過程中，產生獨特的類蜂巢的層狀結構。並且，經過高達1000度的碳化處理，這種蜂巢結構可以較大程度地保留下來（Fig 2D-E）。與之對比的是，如果木頭不經過化學處理而直接高溫碳化，則直接保留原來的方格結構 （Fig2A-C）。
Fig.2 A-C: 木頭直接經過碳化處理後的微觀方格狀結構；D-F: 碳化處理後，WCS材料的層狀結構。
由於獨特的層狀多孔微觀結構的存在，WCS材料的密度很低，與原始木頭原料相比，其密度低了約10倍。同時展現出類類似海綿狀材料的力學行為。在形變小於 20%階段，應力-應變曲線呈現出線性變化，表明該階段發生彈性形變，在20% < 形變< 60%階段，應力應變曲線出現平臺區，而在形變>60%階段，應力隨著應變快速上升。該材料的最大形變量為壓縮80%，並且穩定性高，能耐受多次循環壓縮。
Fig.3 A/B: WCS 應力應變曲線；3C: 每個壓縮週期的能量損失，3D: 近碳化處理後的材料的應力-應變曲線； 3E: 50% 形變下，循環10000週期後的彈性強度。
WCS同時展現了較高的壓力-電阻敏感度，研究者利用這種材料做成了一個簡單的電子元件，證明其可用於穿戴設備的潛力。
Fig.4 基於WCS的應變傳感器性能
總之，WCS這種獨特的層狀結構以及出色的機械和電氣性能可能有助於在未來實現許多的應用，包括可穿戴電子設備，可充電電池，超級電容器，可用於人體健康監測等。此外，WCS的製造工藝流程簡單，具有可持續性和可擴展性，從而為可持續性地利用自然資源開發海綿狀功能材料開闢了新機遇。
參考文獻：
Chaoji Chen et al, Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge, Chem (2018). DOI: 10.1016/j.chempr.2017.12.028
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