Inspiriert von der Flexibilität und Steifheit natürlicher Spinnenseidenbahnen entwickelte ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. YU Shuhong von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China (USTC) eine einfache und allgemeine Methode zur Herstellung superelastischer und ermüdungsbeständiger Hartkohlenstoff-Aerogele mit Nanofasern Netzwerkstruktur unter Verwendung von Resorcin-Formaldehyd-Harz als harte Kohlenstoffquelle.

In den letzten Jahrzehnten wurden Kohlenstoff-Aerogele unter Verwendung von Graphitkohlenstoffen und Weichkohlenstoffen, die Vorteile bei der Superelastizität aufweisen, umfassend untersucht. Diese elastischen Aerogele haben normalerweise empfindliche Mikrostrukturen mit guter Ermüdungsbeständigkeit, aber ultraniedriger Festigkeit. Harte Kohlenstoffe zeigen aufgrund der sp3 C-induzierten turbostratischen "House-of-Cards" -Struktur große Vorteile in Bezug auf mechanische Festigkeit und strukturelle Stabilität. Die Steifheit und Zerbrechlichkeit behindern jedoch eindeutig das Erreichen einer Superelastizität mit harten Kohlenstoffen. Bis jetzt ist es immer noch eine Herausforderung, superelastische Aerogele auf Hartkohlenstoffbasis herzustellen.

Die Polymerisation von Harzmonomeren wurde in Gegenwart von Nanofasern als Strukturschablonen zur Herstellung eines Hydrogels mit Nanofasernetzwerken initiiert, gefolgt von Trocknung und Pyrolyse, um hartes Kohlenstoff-Aerogel zu erhalten. Während der Polymerisation lagern sich die Monomere auf Schablonen ab und schweißen die Faser-Faser-Verbindungen, wobei eine zufällige Netzwerkstruktur mit massiven robusten Verbindungen verbleibt. Darüber hinaus können physikalische Eigenschaften (wie Durchmesser von Nanofasern, Dichte von Aerogelen und mechanische Eigenschaften) durch einfaches Einstellen von Schablonen und der Menge an Rohmaterialien gesteuert werden.

Aufgrund der harten Kohlenstoffnanofasern und der reichlich vorhandenen Schweißverbindungen zwischen den Nanofasern weisen die harten Kohlenstoffaerogele robuste und stabile mechanische Eigenschaften auf, einschließlich Superelastizität, hoher Festigkeit, extrem schneller Rückgewinnungsgeschwindigkeit (860 mm s-1) und niedrigem Energieverlustkoeffizienten ( <0,16). Nach dem Testen unter 50% Dehnung für 104 Zyklen zeigt das Kohlenstoff-Aerogel nur 2% plastische Verformung und behält 93% ursprüngliche Spannung bei.

Das Hartkohlenstoff-Aerogel kann die Superelastizität unter rauen Bedingungen, wie beispielsweise in flüssigem Stickstoff, aufrechterhalten. Aufgrund der faszinierenden mechanischen Eigenschaften ist dieses Hartkohlenstoff-Aerogel vielversprechend für die Anwendung von Spannungssensoren mit hoher Stabilität und großem Detektionsbereich (50 kPa) sowie dehnbaren oder biegbaren Leitern. Dieser Ansatz verspricht eine Ausweitung auf andere nicht kohlenstoffbasierte Verbundnanofasern und bietet eine vielversprechende Möglichkeit, starre Materialien durch Design der Nanofasermikrostrukturen in elastische oder flexible Materialien umzuwandeln.