中国科学技術大学（USTC）のYU Shuhong教授率いる研究チームは、天然のクモ糸の巣の柔軟性と剛性にヒントを得て、レゾルシノールホルムアルデヒド樹脂を硬質炭素源として使用し、ナノファイバーネットワーク構造を持つ超弾性で疲労耐性のある硬質炭素エアロゲルを製造するシンプルで一般的な方法を開発しました。

In recent decades, carbon aerogels have been widely explored by using graphitic carbons and soft carbons, which show advantages in superelasticity. These elastic aerogels usually have delicate microstructures with good fatigue resistance but ultralow strength. Hard carbons show great advantages in mechanical strength and structural stability due to the sp3 C-induced turbostratic “house-of-cards” structure. However, the stiffness and fragility clearly get in the way of achieving superelasticity with hard carbons. Up to now, it is still a challenge to fabricate superelastic hard carbon-based aerogels.

ナノファイバーを構造テンプレートとして樹脂モノマーの重合を開始し、ナノファイバーネットワークを持つハイドロゲルを調製し、その後乾燥および熱分解して硬質カーボンエアロゲルを得ます。重合中、モノマーはテンプレート上に堆積し、繊維間の接合部を溶接して、大規模で堅牢な接合部を持つランダムネットワーク構造を残します。さらに、物理的特性（ナノファイバーの直径、エアロゲルの密度、機械的特性など）は、テンプレートと原材料の量を調整するだけで制御できます。

硬質カーボンナノファイバーと、ナノファイバー間の豊富な溶接接合部により、硬質カーボンエアロゲルは、超弾性、高強度、極めて速い回復速度 (860 mm s-1)、低エネルギー損失係数 (<0.16) など、堅牢で安定した機械的性能を発揮します。104 サイクルにわたって 50 % のひずみでテストした後、カーボンエアロゲルはわずか 2 % の塑性変形を示し、元の応力の 93 % を保持しました。

ハードカーボンエアロゲルは、液体窒素などの過酷な条件でも超弾性を維持できます。魅力的な機械的特性に基づき、このハードカーボンエアロゲルは、高い安定性と広い検出範囲 (50 KPa) を備えた応力センサーや、伸縮性または曲げ可能な導体への応用が期待されています。このアプローチは、他の非炭素ベースの複合ナノファイバーの製造にも拡張できる可能性を秘めており、ナノファイバーの微細構造を設計することで、剛性材料を弾性または柔軟性のある材料に変換する有望な方法を提供します。