俞书宏教授课题组的研究人员受人类足弓等常见宏观弹性拱结构的启发，通过巧妙的实验设计，成功制备了一种具有微观层状连拱结构的宏观尺度碳纳米组装体材料。该材料由脆性易碎的组分（无定型碳-石墨烯复合物）构筑而成，但其同时展现出高度可压缩性（垂直层方向压缩90%形变后完全恢复原状，与国际现有水平相当）、超弹性（580 mm/s的回弹速度，远高于国际已报道材料170 mm/s的最高水平；能量耗散因子约0.2，明显低于国际上已报道材料0.3~0.8的平均水平）、超强抗疲劳性能（20%应变循环压缩106次，优于国际已报道15%应变循环压缩0.5×106次和6%应变循环压缩106次的水平）。
为了实现这一特殊结构，研究人员首先设计了一种新型的双向冷冻技术，将壳聚糖-氧化石墨烯（CS-GO）混合溶液取向冷冻并干燥，从而获得具有层状结构的CS-GO宏观组装体；然后再将其通过高温碳化处理，依靠碳化过程中CS和GO收缩程度的不同，使原本较为平坦的薄层结构皱缩成所需的层状连拱结构。上述两步过程的巧妙结合对实现这一特殊多级结构是必不可少的，例如，通过双向冷冻获得的取向一致的层状结构保证了最终材料中所有微拱单元的取向一致性，从而保证所有微拱单元在材料整体受压变形时同时发挥弹性功能。
俞书宏课题组与吴恒安教授课题组密切合作，通过进一步构建力学模型，对这一材料的超常性能进行了系统的分析。结果表明，构成该材料的微拱结构单元和宏观薄壳型拱结构一致，可以发生可逆的面外大尺度弹性变形，同时保持其面内所受的应力和应变极小。因此，由取向一致的微拱单元相互堆垛构成的材料整体，即使其构筑组分本身是脆性的，也可以适应高达90%的压缩形变而完全恢复原状并免遭结果破坏，同时表现出如弹簧般的超弹性和抗疲劳性能。其次，力学模型分析进一步揭示，该材料压缩循环过程的超低能量损耗主要来自于微拱单元之间的摩擦耗散，而非微结构的永久性破坏。研究结果表明，这一超弹性碳材料明显区别于国际已报到其他低密度、可压缩型结构材料。
此类具有层状微拱结构的碳纳米组装体材料因其优越的超弹性耐疲劳性能及其耐高低温能力，有望在特种条件下的力学传感和探测等领域获得应用。该研究还表明，现有成熟的宏观结构设计对于设计材料的微观结构同样具有指导意义。
该工作得到了国家自然科学基金委创新研究群体、国家自然科学基金重点基金、国家重大科学研究计划、中国科学院重点部署项目、中国科学院前沿科学重点研究项目、苏州纳米科技协同创新中心、中国科学院纳米科学卓越中心、合肥大科学中心卓越用户基金的资助。
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