Inspirerat av flexibiliteten och styvheten hos naturliga spindelsilksnät utvecklade ett forskarlag under ledning av prof. YU Shuhong från University of Science and Technology of China (USTC) en enkel och allmän metod för att tillverka superelastiska och utmattningsbeständiga hårda kolaerogeler med nanofibrösa nätverksstruktur genom att använda resorcinol-formaldehydharts som en hård kolkälla.

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.

Polymerisationen av hartsmonomerer initierades i närvaro av nanofibrer som strukturella mallar för att framställa en hydrogel med nanofibrösa nätverk, följt av torkning och pyrolys för att få hård kol aerogel. Under polymerisationen avsätter monomererna på mallar och svetsar fiber-fiberfogarna, vilket lämnar en slumpmässig nätverksstruktur med massiva robusta fogar. Dessutom kan fysikaliska egenskaper (som nanofiberdiametrar, densiteter av aerogeler och mekaniska egenskaper) kontrolleras genom att helt enkelt justera mallar och mängden råmaterial.

På grund av de hårda kolnanofibrerna och rikligt med svetsfogar bland nanofibrerna uppvisar de hårda kolaerogelerna robusta och stabila mekaniska prestanda, inklusive superelasticitet, hög hållfasthet, extremt snabb återhämtningshastighet (860 mm s-1) och låg energiförlustkoefficient ( <0,16). Efter testning under 50 % påkänning under 104 cykler visar kolaerogelen endast 2 % plastisk deformation och bibehåller 93 % ursprunglig spänning.

Den hårda kolaerogelen kan bibehålla superelasticiteten under svåra förhållanden, som i flytande kväve. Baserat på de fascinerande mekaniska egenskaperna har denna hårda kolaerogel lovande vid tillämpning av stresssensorer med hög stabilitet och brett detektivområde (50 KPa), såväl som sträckbara eller böjbara ledare. Detta tillvägagångssätt lovar att utvidgas till att göra andra icke-kolbaserade kompositnanofibrer och ger ett lovande sätt att omvandla styva material till elastiska eller flexibla material genom att designa de nanofibrösa mikrostrukturerna.