近日，我所研究团队在新型纳米多晶碳及其复合材料研究方面取得创新成果，研究论文以《糖碳转化获取高塑性各向同性纳米多晶石墨》（Sugar-Derived Isotropic Nanoscale Polycrystalline Graphite Capable of Considerable Plastic Deformation）为题发表在《先进材料》(Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.202200363) 上，论文第一作者为韩杰才院士和张幸红教授研究团队的博士生孙博谦，哈工大为第一单位和通讯单位。

各向同性石墨作为碳材料中的一员，在航空航天领域具有极其重要的应用背景，然而其应用始终受困于范德华力材料的本征脆性。由于石墨片层极高的面内模量与极弱的层间结合强度，各向同性石墨的大塑性形变一度被认为是无法解决的科学难题。

鉴于此，研究人员向高浓度葡萄糖水溶液中引入丙烯酰胺凝胶体系，利用熵驱动的包裹效应制备出具有纳米胶囊结构的水凝胶，然后通过一系列热处理工艺完成石墨化。纳米胶囊结构在热处理过程中充分抑制了石墨微晶的自组装行为，最终获得各向同性纳米多晶石墨（SINPG）。SINPG微柱在原位压缩试验中表现出50%的大塑性形变。研究人员进一步发现，其塑性形变机制主要由纳米晶粒旋转，非晶组织包围纳米晶畴以及纳米晶畴层间滑移三者共同作用而完成SINPG的非晶化转变，使其在形变过程中不发生解理破坏。

本研究为各向同性范德华力材料的大塑性形变研究提供了新的途径。同时发现了以糖类物质为代表的小分子碳源的独特优势，即通过控制其微观结构，晶体取向及成键方式可制备具有多种优异性能的结构功能一体化碳材料。檀铭一、杨彧、吴诗琪等博士生利用糖类物质作为碳源，分别制备了纳米晶高导热/高电磁屏蔽效应碳膜，高强度单丝碳纤维以及高强度隔热碳泡沫等，相关成果发表于Advanced Functional Materials (https://doi.org/10.1002/adfm.202202057); Green Chemistry (https://doi.org/10.1039/D2GC01075E); Chemical Engineering Journal (https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134514; https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137093)等国际一流期刊。

此项工作得到了国家自然科学基金重点项目、黑龙江省头雁计划等项目的支持。中科院金属所成会明院士、哈工大的陈大明和费维栋教授、The Pennsylvania State University的Peter A. Thrower教授、University of California, San Diego的Jian Luo教授、中科院上硅所的蒋丹宇研究员、西交大的郭朝维高工、吉林大学张伟教授等对本研究给与了很多指导和帮助。

各向同性纳米多晶石墨（SINPG）的制备及大塑性形变特性

SINPG micropillars 晶粒旋转形成取向

SINPGmicropillars塑性形变机制