两个不锈钢“铁掌”之间，几片气凝胶被压缩到薄薄一张纸的厚度，形变达到了99%。神奇的是，这样数万次的压缩，气凝胶每一次都能重新支棱起来，弹回到原来形状。对于传统气凝胶来说，这样的压缩足以让其 “粉身碎骨”，而高超团队通过改变气凝胶内部的气孔形状，实现了材料从脆变弹。

室温高弹性能实验展示

气凝胶中90%以上都是微纳米级的气孔，它们通常是蜂窝或拱形结构，高超团队则引入了穹顶结构。“传统气凝胶中的孔隙结构大多是有棱有角的，而我们的孔隙是微米级的穹顶曲面。”论文共同第一作者、庞凯研究员说，穹顶结构常见于生物体和建筑工程中，以其卓越的承载能力和机械稳定性著称。“存放鸡蛋的槽孔也是穹顶形状，它能够更好消化外部冲击。”

宏观世界的穹顶结构（左）和气凝胶内部气孔的穹顶结构（右）

高超团队与西安交通大学刘益伦教授团队合作，指出穹顶结构不可展曲面特性会形成丰富的可恢复褶皱，这能让材料储存更多的弹性应变能。计算机仿真模拟显示，微穹顶结构的弹性应变能存储能力至少是传统结构的10倍，从而让气凝胶展现弹性抗压的特性。高超认为，这一结构代表了多孔材料领域全新的曲率设计理念，可启发更多新材料的创制。

微穹顶气泡是用一种全新的制备方法构筑的，灵感则来自于“大象牙膏”实验：过氧化氢（H₂O₂）在催化剂的作用下加速分解产生氧气，大量气体与发泡剂混合后形成泡沫喷涌而出，仿佛伸出烧杯的大象鼻子。

“我们提出了二维通道受限发泡的方法，让产气发泡过程发生在氧化石墨烯夹层之间。”高超介绍，二维的氧化石墨烯具有丰富的含氧功能基团，它们能高效捕捉金属离子，防止层间金属离子脱出。常温常压下加入发泡剂后，大量球形气泡在一层层氧化石墨烯之间成核、涌出，留下了微穹顶结构的气孔。“这个过程就像做面包，面包切面上的气孔，就是酵母呼吸作用产生的二氧化碳留下的。” 庞凯说，这种二维通道受限发泡的方法操作简单，整个过程不需要高能耗的冷冻干燥或超临界干燥技术，也不依赖复杂昂贵的设备。

微穹顶结构气凝胶的制备

高超团队长期致力于石墨烯气凝胶材料的研究。2013年，团队制备的石墨烯碳气凝胶创造了当时世界最轻材料的记录；多年来，高超团队一直将制备方法的探索作为重点，他们认为，这是气凝胶从实验室走向现实应用的关键。

论文共同通讯作者许震长聘副教授说，二维通道受限发泡的方法具有很大的普适性。石墨烯可与金属、氧化物、碳化物等各种物质组成杂化气凝胶，涵盖121种氧化物、38种碳化物及35种金属体系，大大扩展了气凝胶种类。此外，课题组实现了高熵材料组分的可控设计，其组分可调至含有多达30种元素的高熵态。“我们希望它能成为一个材料家族的创新平台，从单一组分到高熵组分，从导电金属到绝缘陶瓷，从透明、黑白到彩色等等。”高超说。

距离太阳610万公里处，帕克太阳探测器（Parker Solar Probe）创造了史上距离太阳表面最近的记录。高温是限制其靠近太阳的最大障碍，据相关资料，现有隔热罩可耐受1650°C的高温。有没有一种材料能够超越这一纪录，耐受更高温度的挑战呢?

2000°C高弹性能实验展示

高超团队创造的“烯陶”气凝胶可能具备这种能力：它的一半是陶瓷、一半是石墨烯，是两者在原子层面的二维杂化。它不像普通陶瓷那样易碎，而是柔软Q弹；实验显示，烯陶气凝胶在宽温域范围具有突出的力学弹性，不仅常温下能被反复压缩，而且在4.2K（-268.8℃）深冷至2273K（2000℃）超高温环境中仍保持99%弹性应变的优异性能。论文共同通讯作者，百人计划研究员刘英军解释说，“烯陶”中的石墨烯显著抑制了二维陶瓷的高温重结晶过程，同时二维陶瓷有效防止了石墨烯片层的超高温滑移。

为了测试气凝胶的超高温力学性能，团队搭建了一个可以实时观测的高温熔炉

更令人欣喜的是，研究团队制备的高熵气凝胶在隔热性能上更有优势，室温下导热率仅有13.4 mW/m·K，是空气的一半。所制备的高熵氧化物气凝胶、高熵碳化物烯陶气凝胶在1273 K时为53.4 mW/m·K，在2273 K时为171.1 mW/m·K，且在2273K的反复热冲击100次维持结构稳定，为极端温度环境下的热防护提供了新的材料选择。

烯陶气凝胶作为“护花使者”，隔绝高温炙烤

“我们相信二维受限发泡法会打开众多未知的多孔材料世界，其中有更多优异性能及应用场景等待我们去发现。” 高超说。在未来，或许这种如烟却坚韧的新材料，能让探测器更接近太阳；也许有一天，我们穿上它制成的热防护服，能够深入地球内部，见识那些至今未曾所见的奇异景观。

浙江大学专职研究员庞凯、博士生夏雨星、博士后刘晓婷（已出站）及西安交通大学博士生童文浩为论文的共同第一作者，高超、许震及刘英军为论文共同通讯作者，浙江大学是唯一通讯单位。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省领雁计划、浙江省自然科学基金、中央高校基金等项目的支持。