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.

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.

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.