如果有一种材料，既能像钢一样强，又能像弹簧一样弹，还能像坚韧的复合材料一样抵抗断裂，这听起来像是材料科学里的“不可能三角”。

浙江大学许震长聘副教授、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。10月14日，该成果在国际期刊《自然》发表。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。

从“排得齐、粘得牢”到“折得起、锁得住”

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，韧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“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，研究者跳出“排得更齐”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，进一步提升石墨烯膜的力学性能。

“意外”探索做出“乐高式”互锁膜，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。

低温氧化法合成表层折叠多层氧化石墨烯

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，打破了传统层状材料力学性能的纪录。

刮涂法组装层间折叠卡扣石墨烯膜

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。

从“排得齐、粘得牢”到“折得起、锁得住”，这项研究让石墨烯膜同时具备高强、高韧和高弹性，有望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带来新的材料设计启发。