Zainspirowany elastycznością i sztywnością naturalnych sieci pajęczych, zespół badawczy kierowany przez prof. YU Shuhonga z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii (USTC) opracował prostą i ogólną metodę wytwarzania superelastycznych i odpornych na zmęczenie twardych aerożeli węglowych z nanowłóknami strukturę sieci przy użyciu żywicy rezorcynowo-formaldehydowej jako źródła twardego węgla.

W ostatnich dziesięcioleciach aerożele węglowe były szeroko badane przy użyciu węgli grafitowych i węgli miękkich, które wykazują przewagę w zakresie supersprężystości. Te elastyczne aerożele mają zwykle delikatne mikrostruktury o dobrej odporności na zmęczenie, ale o bardzo niskiej wytrzymałości. Twarde węgle wykazują ogromne zalety w zakresie wytrzymałości mechanicznej i stabilności strukturalnej dzięki indukowanej sp3 C turbostratycznej strukturze „domku z kart”. Jednakże sztywność i kruchość wyraźnie utrudniają osiągnięcie supersprężystości przy użyciu twardych węgli. Jak dotąd wytworzenie superelastycznych, twardych aerożeli na bazie węgla nadal stanowi wyzwanie.

Polimeryzację monomerów żywicy zainicjowano w obecności nanowłókien jako szablonów strukturalnych w celu przygotowania hydrożelu z sieciami nanowłókien, a następnie przeprowadzono suszenie i pirolizę w celu uzyskania twardego aerożelu węglowego. Podczas polimeryzacji monomery osadzają się na szablonach i spawają połączenia włókno-włókno, pozostawiając losową strukturę sieciową z masywnymi, solidnymi połączeniami. Co więcej, właściwości fizyczne (takie jak średnica nanowłókien, gęstość aerożeli i właściwości mechaniczne) można kontrolować, po prostu dostosowując szablony i ilość surowców.

Ze względu na twarde nanowłókna węglowe i liczne połączenia spawane pomiędzy nanowłókienami, aerożele z twardego węgla charakteryzują się solidnymi i stabilnymi właściwościami mechanicznymi, w tym superelastycznością, wysoką wytrzymałością, wyjątkowo dużą szybkością odzyskiwania (860 mm s-1) i niskim współczynnikiem strat energii ( <0,16). Po przetestowaniu pod 50% odkształceniem przez 104 cykle, aerożel węglowy wykazuje tylko 2% odkształcenia plastycznego i zachował 93% pierwotnego naprężenia.

Aerożel z twardego węgla może utrzymać superelastyczność w trudnych warunkach, takich jak ciekły azot. Bazując na fascynujących właściwościach mechanicznych, ten aerożel z twardego węgla jest obiecujący w zastosowaniu czujników naprężeń o wysokiej stabilności i szerokim zakresie wykrywalności (50 KPa), a także w przypadku rozciągliwych lub zginanych przewodników. Podejście to może zostać rozszerzone na inne nanowłókna kompozytowe nie zawierające węgla i stanowi obiecujący sposób przekształcania sztywnych materiałów w materiały elastyczne lub elastyczne poprzez projektowanie mikrostruktur nanowłóknistych.