景行
一、【科学背景】
二维石墨烯本征具备极高的面内强度，是构筑宏观高性能薄膜的理想构筑基元，石墨烯基宏观薄膜在轻量化结构构件、防护装甲、储能器件、航空航天等领域具备巨大应用潜力。传统二维片层组装薄膜的力学行为主要依靠剪切滞后（shear‑lag）模型描述，该模型以贝壳珍珠层“刚性砖‑软质砂浆”的层状结构为原型，提升薄膜力学性能的主流策略集中于两个方向：优化片层的平整度与堆叠有序度，以及调控层间相互作用实现能量耗散。通过流动诱导取向、水塑拉伸、毛细管压缩等手段提升堆叠有序度，或是引入共价键、离子键、片层缠结等强化层间作用，已经将二维材料薄膜的强度、韧性提升超越传统金属与高分子薄膜。但剪切滞后模型本身存在固有局限：受晶粒尺寸限制，同时层间结合强度与密度之间存在权衡制约，难以同时突破强度、韧性与弹性形变的性能天花板。现有研究大多追求片层的平整排布，较少关注片层自身空间构象的拓扑调控。而在宏观纤维、绳结体系中，依靠互锁、缠绕的空间拓扑结构可以实现高效力传递，释放材料力学潜能，这一拓扑力学思路能否拓展到二维纳米片组装体系，是该领域亟待解决的关键问题。如何跳出传统剪切滞后框架，从单纳米片本征空间构象设计出发，实现大尺度下宏观薄膜高强、高韧、高弹性的协同提升，成为二维组装材料的重要研究方向。
二、【创新成果】
近日，浙江大学高超教授、庞凯研究员、许震研究员以及清华大学徐志平教授等人突破二维片层薄膜传统剪切滞后的力学框架，开发出一种表面折叠氧化石墨烯（SFGO），通过低温改性的Hummers法制备得到具有“折叠外壳‑晶态内核”核壳异质结构的多层氧化石墨烯片，实现该构筑单元的规模化制备。利用刮涂工艺将SFGO模块化组装，构建得到折叠扣合层状（FCL）石墨烯薄膜（SFRG）。该FCL结构石墨烯薄膜实现力学性能的协同突破：拉伸强度可达2.9 GPa，韧性达84.5 MJ·m⁻³，弹性应变可达5 %，显著优于已报道的珍珠层仿生薄膜、普通还原石墨烯薄膜以及无机仿珍珠层材料。循环拉伸测试表明薄膜具备优异的弹性回复与抗疲劳性能，4 %应变下历经100次循环仍可承受1.9 GPa高应力，千次循环后应力保留率可达92 %。结合分子动力学模拟与多尺度原位X射线散射、电镜表征，研究揭示全新的拉‑推转变（pull‑to‑push）力链拓扑转变与剪切锁合应力传递机制：拉伸载荷作用下，层间折叠结构发生头对头接触，将片层间的拉伸作用转化为折叠区域的压缩互锁，抑制层间滑移，大幅提升载荷传递效率（96 %），区别于传统剪切滞后模型依靠层间剪切摩擦传力的模式。
图1 SFGO的合成与表征。a，石墨低温氧化得到具有折叠外壳与晶态内核的SFGO的原理示意图；b，SFGO‑1水分散液的实物照片；c，硅基底上沉积的SFGO‑1片层的原子力显微镜高度图；d，褶皱结构的三维表面形貌放大视图；e,f，SFGO‑1片层表面褶皱的球差校正透射电镜顶视图，e为大片层全貌，f为单个褶皱局部；g，左侧为SFGO‑1片层的球差校正透射电镜侧视图，内核以黄色标注，外壳以蓝色标注，右侧为SFGO原子模型示意图。© 2026 Springer Nature
图2 FCL结构SFGO薄膜的制备。a，在聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上刮涂制备SFGO薄膜的示意图；b，典型折叠扣合层状（FCL）结构示意图；c，FCL结构的符号化示意；d，大面积SFRG薄膜实物照片（尺寸700 cm × 40 cm）；e，聚焦离子束切割得到的SFRG‑1薄膜截面扫描电镜形貌；f，SFRG薄膜的球差校正透射电镜图像，白色与黄色标记出褶皱单元，黄色标记代表扣合褶皱，右侧放大图展示单个褶皱。© 2026 Springer Nature
图3 SFRG薄膜的力学性能以及褶皱扣合作用机制。a，SFRG薄膜与还原石墨烯（RG）薄膜的应力‑应变曲线；b‑d，还原石墨烯薄膜与SFRG薄膜的拉伸强度(b)、断裂伸长率(c)和韧性(d)，b‑d中数据表示为平均值±标准差（n=3组独立样品）；e，SFRG‑1薄膜在4%应变条件下循环100次的循环应力‑应变曲线；f，加载‑卸载过程中SFRG‑1薄膜取向度的演化，插图为对应的小角X射线散射图样；g，钢球落球实验直观展示SFRG‑1薄膜优异的强度与弹性（钢球回弹），与之对比，还原石墨烯薄膜被钢球击穿；h，工程应变0.2条件下，平整与褶皱层状氧化石墨烯粗粒化分子动力学模型的局部应力分布；i，循环加载‑卸载条件下层间褶皱的应力分布示意图，灰色虚线框标出层间褶皱结构，蓝色虚线框突出褶皱头对头接触构型；j，聚合物插层氧化石墨烯、平整堆叠氧化石墨烯、褶皱氧化石墨烯的粗粒化分子动力学模拟应力‑应变曲线，插图为i中头对头结构发生接触、压缩、滑移脱离的示意；k,l，SFRG‑1薄膜断裂形貌的扫描电镜图，l为k的高分辨图像；m，SFRG‑1薄膜断裂形貌透射电镜观测结果，上图为断裂边缘，下图为放大视图。© 2026 Springer Nature
图4 SFRG薄膜与其他层状薄膜的强度‑韧性对比及其力学模型。a，SFRG‑1薄膜与天然珍珠层（灰色五边形）、无机仿珍珠层薄膜（黄色六边形）、纯还原氧化石墨烯薄膜（蓝色方形）、氧化石墨烯基复合薄膜（橙色菱形）的最大拉伸强度与韧性对比；b,c，力学模型原理示意图，b为SFRG薄膜的剪切锁合‑拉‑推力链模型（类比互锁乐高积木），c为氧化石墨烯/聚合物层状材料的剪切滞后模型（类比粘贴的纸条）。© 2026 Springer Nature
该研究实现了一种高性能石墨烯薄膜，以“Clasping folds enable superior elastic strength of graphene films”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，本文实现了折叠扣合层状石墨烯薄膜，其拉伸强度可达2.9 GPa，韧性为84.5 MJ m⁻³，弹性应变可达5%。力学性能的提升源于表面折叠氧化石墨烯构筑单元形成的折叠扣合层状结构，拉伸过程中发生拉‑推力链拓扑转变，依靠层间折叠的剪切锁合效应高效传递应力，抑制片层间滑移。
进一步地精准调控折叠的密度、尺寸与层间可活动空间，同时尽可能降低薄膜内部孔隙缺陷，有可能是进一步同步提升薄膜强度、韧性与弹性性能的最直接方法。
原文详情：Wang, L., Liao, Y., Huang, J. et al. Clasping folds enable superior elastic strength of graphene films. Nature 658, 643–649 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-11109-y
本文由景行撰稿
