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  二維納米片層材料（如石墨烯、MXene、氮化硼等）憑借其高比表面積和優(yōu)異性能，成為構(gòu)建三維多孔氣凝膠的理想材料。然而，當前二維材料氣凝膠的制備策略多依賴于液相分散體系,存在工藝復雜、能耗高、結(jié)構(gòu)脆弱等問題，難以滿足批量化應用需求。盡管工業(yè)上成熟的聚合物泡沫熱發(fā)泡技術(shù)為二維材料氣凝膠的制備提供了新思路，但二維片層間強烈的范德華力會抑制氣泡膨脹，導致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破裂。通過溶劑插層塑化可有效削弱二維片層的層間結(jié)合作用力，進而實現(xiàn)可控發(fā)泡制備氣凝膠。但是，如何進一步避免過量溶劑使用，建立無溶劑體系的熱塑性發(fā)泡方法制備二維材料氣凝膠仍有待探索。

  近期，浙江大學龐凱專職研究員、許震副教授、高超教授團隊基于前期溶塑性發(fā)泡技術(shù)的研究積累，進一步開發(fā)出一種聚合物插層的無溶劑熱塑性發(fā)泡（TPF）方法。該方法采用聚合物聚乙二醇作為插層塑化劑，通過精確控制聚合物插層量，使氧化石墨烯復合材料在超過臨界層間距時實現(xiàn)從剛性到塑性的熱誘導轉(zhuǎn)變，成功克服了二維片層在熱發(fā)泡過程中的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)問題（圖1）。該制備方法可精確調(diào)節(jié)石墨烯氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)特征，所制備的石墨烯氣凝膠具有可調(diào)控的孔徑（49.7-84.8 μm）、孔壁厚度（0.4-8.4 μm）與密度（73-843 mg/cm³）（圖2-3）。經(jīng)熱處理后，材料展現(xiàn)出優(yōu)異的超彈性（>95%應變回復）與導電導熱性能（分別達8.0×10³ S/m與44.9 W/m·K），在結(jié)構(gòu)力學與功能響應方面兼具高穩(wěn)定性與重復性（圖4）。該技術(shù)的普適性優(yōu)勢顯著，可成功拓展至氮化硼（BN）、蒙脫土（MMT）和MXene（Ti₃C₂T_X）等多種二維材料體系，同時兼容大尺寸材料成型與3D打印工藝（圖5）。這一技術(shù)突破不僅證實了其在多功能多孔材料制備中的通用性，更為設計具有特定拓撲結(jié)構(gòu)的新型輕質(zhì)功能材料提供了可靠的制備方法，展現(xiàn)出廣闊的工程應用前景。

  2025年7月2日，相關成果以“Solvent-free Thermoplastic Foaming for Superelastic Graphene Monoliths”為題發(fā)表于國際期刊《Nature Communications》（DOI：10.1038/s41467-025-61123-3）。浙江大學高分子系博士李澤莘、碩士生李曉彤為論文共同第一作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金等經(jīng)費的支持。

圖1. 熱塑性發(fā)泡石墨烯氣凝膠的制備機理與結(jié)構(gòu)演變

圖2. 石墨烯基熱塑性發(fā)泡材料的層間塑化機理

圖3. 氣泡形成機制與結(jié)構(gòu)調(diào)控

圖4. TPF法制備的石墨烯氣凝膠材料的力學性能表征

圖5. TPF方法的形狀與材料普適性

  浙江大學高超教授團隊十余年來專注石墨烯二維材料及其宏觀組裝研究，在石墨烯氣凝膠、石墨烯纖維和石墨烯膜領域取得重要突破。團隊從基礎理論到規(guī)模制備形成系統(tǒng)研究體系，實現(xiàn)了材料性能調(diào)控與產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵技術(shù)創(chuàng)新。該工作是團隊近期關于石墨烯氣凝膠宏觀組裝研究的最新進展之一。團隊先后提出“連續(xù)溶塑發(fā)泡”（Sci. Adv., 2020, 6, eabd4045）、“超薄納米鼓共振”（Adv. Mater. 2022, 34, 2103740）、“拓撲層級強韌化”（Adv. Mater., 2024, 37, 2417462）、“二維節(jié)點增強”（Adv. Mater., 2024, 2414410）及“快速熱塑發(fā)泡”（Nat. Commun., 2025, 16, 6087）等策略，突破了氣凝膠連續(xù)化制備方法，建立了其多尺度結(jié)構(gòu)力學關系，實現(xiàn)了其在復合材料、熱管理及人工智能傳感等方面的應用。這些研究不僅推動了石墨烯宏觀組裝材料的產(chǎn)業(yè)化應用進程，也為高性能輕質(zhì)多孔材料的可控設計提供了新原理及新方法。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61123-3

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