浙大高分子团队Nature！天津大学Science！

1、Nature！浙大高分子系团队用纳米级“积木”搭出超强材料

近日，由浙江大学许震副教授、高超教授、清华大学徐志平教授团队合作，在石墨烯膜中发现了“层间折叠卡扣”的新结构与新机制，首次实现了石墨烯膜的高强高韧与高弹性“三合一”的性能突破。成果以“Clasping Folds Enable Superior Elastic Strength of Graphene Films”为题，于北京时间10月14日晚发表在国际顶级期刊《自然》期刊上。浙江大学博士后王利丹、清华大学博士后廖杨超为论文共同第一作者。

石墨烯片层：

除了“排”和“粘”，还能做什么？

石墨烯的发现，让人类掌握了一类“原子级厚度却比钢还强”的二维材料，用作基础“砖块”来制备高性能宏观材料如石墨烯纤维、薄膜、气凝胶及块体材料。其中，强度与韧性是衡量其力学性能的两项关键指标。强度决定材料承受载荷和抵抗变形的能力，性则反映材料抵抗裂纹扩展和断裂的能力。长期以来，提高强度往往伴随着韧性的牺牲，如何突破这一“强而不韧、韧而不强”的性能制约，实现材料既强又韧，成为该领域持续关注的重要科学问题。

过去二十年，石墨烯膜的强韧化基本依据两种常规的思路：一是让片层排得更整齐，二是让层间粘得更牢固，并取得了一系列的性能突破。与其它刚性片不同，石墨烯具有极优异的柔性，可形成折叠、褶皱等丰富的空间构型，为层状材料的空间结构设计打开了新天地。

基于此，研究者可以跳出“把片层排得更整齐”或“粘得更牢”的传统思路，通过改变石墨烯片层自身的几何构型，创造一种全新的作用方式，突破层间剪切滑移的瓶颈，来进一步提升石墨烯膜的力学性能。

像乐高一样互锁：

石墨烯膜实现强、韧、弹协同提升

浙江大学高分子系高超/许震团队经过长期研究，在一次“意外”的探索实验中，通过低温氧化策略成功制备出表面具有丰富折叠结构的新型多层氧化石墨烯片，该纳米片平均厚度为9.1 nm，表面折叠厚度在2 nm左右。团队以此为“积木单元”，组装出层间彼此咬合的石墨烯膜。与传统平直堆叠不同，这些折叠结构能够在层间形成软的“机械卡扣”，使材料在受力时能够发生可逆的弹性形变且有效阻止层间滑移失效。由此制得的石墨烯膜拉伸强度达到2.9 GPa，韧性达到84.5 MJ m⁻³，并具有高达5%的弹性应变，实现了强度、韧性和弹性的协同提升，突破了传统层状材料力学性能的纪录。

高超教授使用“积木单元”演示石墨烯膜咬合机理

浙大团队与清华大学徐志平教授团队合作，通过力学计算和分子模拟揭示了折叠结构在拉伸过程中的独特传力机制：材料整体受到拉力时，相邻折叠逐渐接触并相互挤压，将部分“拉”的作用转化为层间“推压”，形成“Pull-to-Push”由拉转推的力链转换。基于这一现象，团队提出了新的“剪切互锁shear-lock”力学模型，为二维片层材料从“平面堆叠”走向“片层空间构型设计”提供了新的理论思路。

高超/许震团队探讨石墨烯膜性能

从“平面堆叠”到“空间互锁”：

研究创新与亮点

(1)首次实现在单个二维片层中构筑原子尺度空间折叠构型，制备出表层折叠、芯层规整堆叠的新型多层石墨烯片，并以此作为组装基元，实现从“平面堆叠”向“空间构型组装”的转变。开辟二维片层材料空间构型设计新范式，突破了二维片层平面结构调控的传统思路。

(2)打破传统二维材料强度与韧性力学性能边界，构筑兼具高强、高韧和高弹性的石墨烯薄膜。所制备的石墨烯膜展现出优异的综合力学性能，为航空航天轻量化结构、高性能复合材料及抗冲击防护装备等领域提供了新的材料设计思路。

(3)提出新的层间“shear-lock（剪切互锁）”力学模型。区别于传统层状材料所遵循的“shear-lag（剪切滞后）”经典载荷传递机制，通过折叠卡扣实现由“拉”向“推”的力链转换，显著提升层间载荷传递效率，实现强度与韧性协同提升，同时拓展了其大应变高应力下的弹性新性能。

图文解读：折叠卡扣石墨烯膜

低温氧化法合成表层折叠多层氧化石墨烯

通过控制反应温度等条件，团队实现了表层具有折叠条带、内部保留石墨有序堆叠结构的多层氧化石墨烯批量可控制备。通过追踪不同反应阶段的中间产物，揭示了“边缘全局溶胀edge-global-swell”的结构演变规律，系统表征其厚度、片径及表层褶皱等结构特征，并与传统的单层氧化石墨烯进行了对比。研究发现，表层与内部氧化程度的差异是表层折叠结构形成的主要原因，高氧化表层溶胀后，在干燥过程中发生收缩并形成折叠条带。

刮涂法组装层间折叠卡扣石墨烯膜

以多层氧化石墨烯为组装基元，通过传统的刮涂法，制备出具有层间折叠卡扣结构的石墨烯膜。相较传统单层石墨烯组装膜，该膜内部孔隙率更低，密度和取向度更高。透射电镜照片显示，膜内部结构致密，堆叠规整有序，基元表面的折叠条带在界面处相互咬合，形成稳定的拓扑互锁结构。

层间折叠卡扣石墨烯膜力学性能

层间折叠卡扣结构不仅实现石墨烯膜拉伸断裂强度（2.9 GPa）和韧性(84.5 MJ/m3)的协同提升，还赋予石墨烯膜在高应力、高应变循环条件下优异的可恢复弹性。在4%高应变下，石墨烯膜循环100次仍可承受1.9 GPa的高应力。

层间折叠卡扣实现“pull-to-push”转变

形成“shear-lock”载荷传递

传统层状结构主要通过层间滑移和拔出传递载荷，分子动力学模拟表明，折叠结构可在拉伸过程中相互接触、挤压，在层间限域作用下形成“Pull-Push”载荷转变。受压折叠进一步形成柔性机械互锁，有效抑制层间滑移增强载荷传递，从而提升薄膜的力学性能。断裂形貌及原位TEM实验进一步验证了折叠卡扣机制。石墨烯膜呈现阶梯式粗糙断面，表面折叠在界面处相互扣合并增强载荷传递；断裂尖端聚集的折叠结构与模拟结果一致，直接证实了层间折叠的压缩卡扣行为。

折叠卡扣结构突破二维层状材料力学性能

从强度—韧性 Ashby 图可以看出，层间折叠卡扣石墨烯膜突破了传统层状材料强度与韧性难以兼顾的限制，实现了二者的协同提升，显著拓展了二维层状材料的强度-韧性边界。

区别于传统层状材料依赖剪切滞后效应进行载荷传递，折叠卡扣结构实现了由“拉”向“推”的力链拓扑转换，建立了全新的载荷传递模式。理论模型能够较好地解释SFRG膜优异的力学性能，连续介质分析表明“shear-lock”模型应力传递效率可达96%，显著优于传统珍珠层及传统的“shear-lag”模型。

项目资助

该工作得到了国家自然科学基金委等经费的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-026-11109-y

课题组简介

浙江大学纳米高分子课题组成立于2008年，由国家杰青、浙江大学求是特聘教授高超领衔，课题组教师有许震长聘副教授、刘英军长聘副教授、高微微副教授、庞凯专职研究员及李鹏专职研究员。课题组长期致力于氧化石墨烯化学与宏观组装，在Science、Nature、Nat. Mater.、Nat. Electron.、Adv. Mater.等期刊发表论文280余篇；授权中国发明专利200余件，授权国际专利20余件，完成78件专利转让，转让费2000余万。课题组承担基金委重大、重点等项目20余项。成果获2021年度浙江省自然科学奖一等奖，入选“2013年中国十大科技进展新闻”等荣誉或奖项。产学研协同，实现单层氧化石墨烯及其宏观组装材料的产业化，多款石墨烯热控产品已批量列装于卫星等重要装备中。

2、针对无人机电子垃圾危机天津大学团队在Science发文！

近日，天津大学环境科学与工程学院陈冠益、颜蓓蓓、周生权团队在国际顶级学术期刊《科学》发表Letter文章。聚焦全球无人机产业快速发展背景下日益凸显的退役设备管理问题，系统剖析无人机电子废弃物在环境安全、资源回收及信息安全方面的潜在风险，从生产者责任、绿色设计、回收体系及分类管理等方面提出系统性对策，形成面向无人机退役环节的综合处理回收策略，并构建全生命周期治理框架。

随着无人机在监测、巡检、农业、物流、应急救援及国防等领域快速应用，退役无人机逐渐成为电子废物治理的新类型。2022年全球电子废物产生量已达6200万吨，其中仅22.3%得到正规收集和回收。

无人机集成锂离子电池、印刷电路板、传感器、稀土磁体和复合材料等部件，设备内还可能留存飞行日志、定位坐标、影像和任务记录。整机直接破碎可能损伤电池并引发火灾，混合材料及碳纤维复合材料的复杂结构也增加了高值资源回收难度。公共安全和军用无人机处置不当还可能造成敏感信息泄露。因此，其退役管理是需要兼顾资源回收、环境安全与数据安全的复杂问题。

天津大学团队将治理视角从末端回收延伸至产品全生命周期，提出由生产者责任延伸、数字产品护照、面向循环利用的产品设计和分级处置构成的治理框架。研究建议将电池隔离、安全运输、拆解、部件再利用、材料回收和可验证的数据清除纳入生产者责任，并衔接无人机注册、注销与授权回收渠道。通过建立权限受控的数字产品护照，记录电池化学组成、机体材料、拆解说明、维修历史和数据清除状态，同时在产品设计阶段优先采用可拆卸电池和存储模块、标准化连接件及可回收材料，提高产品的可维修、可拆解和循环利用条件。

研究提出，要依据安全风险实施无人机差异化退役管理：消费级和商业无人机可依托零售商、快递和城市再生资源回收网络进行回收；公共安全和国防类无人机需建立安全、可追溯的处置链，开展去军事化、数据销毁和非敏感部件受控回收。

“我们要从资源循环和信息安全协同的视角拓展传统电子废物治理边界。”该论文通讯作者陈冠益表示。该研究为建立适应无人机产业快速发展的循环利用与安全治理体系提供重要参考。

论文链接：https://www.science.org/eprint/XC7DG4JFKMCWURVXK8N7/fullactivationRedirect=/doi/full/10.1126/science.aek9555

来源：浙大高分子、天津大学