Ispirato dalla flessibilità e rigidità delle tele di seta naturale dei ragni, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. YU Shuhong dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) ha sviluppato un metodo semplice e generale per fabbricare aerogel di carbonio duro superelastici e resistenti alla fatica con nanofibrose struttura della rete utilizzando la resina resorcinolo-formaldeide come fonte di carbonio duro.

Negli ultimi decenni, gli aerogel di carbonio sono stati ampiamente esplorati utilizzando carboni grafitici e carboni morbidi, che mostrano vantaggi in termini di superelasticità. Questi aerogel elastici hanno solitamente microstrutture delicate con buona resistenza alla fatica ma resistenza estremamente bassa. I carboni duri mostrano grandi vantaggi in termini di resistenza meccanica e stabilità strutturale grazie alla struttura turbostratica del “castello di carte” indotta da sp3 C. Tuttavia, la rigidità e la fragilità ostacolano chiaramente il raggiungimento della superelasticità con i carboni duri. Fino ad ora, è ancora una sfida fabbricare aerogel duri superelastici a base di carbonio.

La polimerizzazione dei monomeri di resina è stata avviata in presenza di nanofibre come modelli strutturali per preparare un idrogel con reti nanofibrose, seguita dall'essiccazione e dalla pirolisi per ottenere un aerogel di carbonio duro. Durante la polimerizzazione, i monomeri si depositano su modelli e saldano i giunti fibra-fibra, lasciando una struttura a rete casuale con giunti massicci e robusti. Inoltre, le proprietà fisiche (come i diametri delle nanofibre, le densità degli aerogel e le proprietà meccaniche) possono essere controllate semplicemente mettendo a punto i modelli e la quantità di materie prime.

Grazie alle nanofibre di carbonio duro e agli abbondanti giunti saldati tra le nanofibre, gli aerogel di carbonio duro mostrano prestazioni meccaniche robuste e stabili, tra cui superelasticità, elevata resistenza, velocità di recupero estremamente rapida (860 mm s-1) e basso coefficiente di perdita di energia ( <0,16). Dopo essere stato testato con una sollecitazione del 50% per 104 cicli, l'aerogel di carbonio mostra solo il 2% di deformazione plastica e ha mantenuto il 93% della sollecitazione originale.

L'aerogel di carbonio duro può mantenere la superelasticità in condizioni difficili, come nell'azoto liquido. Basato sulle affascinanti proprietà meccaniche, questo aerogel di carbonio duro è promettente nell'applicazione di sensori di stress con elevata stabilità e ampio raggio di rilevamento (50 KPa), nonché conduttori estensibili o pieghevoli. Questo approccio promette di essere esteso per realizzare altre nanofibre composite non a base di carbonio e fornisce un modo promettente per trasformare materiali rigidi in materiali elastici o flessibili progettando microstrutture nanofibrose.