由微纳结构单元构筑而成的弹性可压缩宏观组装体材料在诸如机械缓冲、柔性器件等领域都展现出极其重要的应用价值。可压缩性、回弹性和抗疲劳性作为这类材料主要性能指标，直接决定着其实际应用的可靠性。

尽管目前所制备的多种相关材料已经可以实现较高水平的可压缩性，然而绝大多数材料在高应变情况下的压缩循环中，往往由于其内部微结构不能有效地适应较大的应力和应变，而发生永久性的受损折断，从而导致材料的回弹性能差并伴随较大的能量损耗，材料的永久性塑性形变以及压缩应力的显著降低。因此，对于一种材料来说，这三种性能指标很难兼得，如何实现高压缩性的同时，还能同时实现其优越的弹性和抗疲劳性一直是个亟待解决的难点。

通过观察日常生活中的常见事物，可以发现某些宏观结构提供了解决这些微观结构问题的新思路。例如，片弹簧结构作为一种机动车拱形弹簧悬挂系统，被广泛应用于机动车中支撑车轴和吸收振动。人类的拱形足弓不仅起到减少骨骼摩擦和受损的弹性缓冲作用，同时还可以通过弹性变形储存能量并释放从而促进我们行走、奔跑和跳跃。这两种宏观拱结构具有共同的特征，即优越的弹性性能和抗疲劳强度。

在这些宏观弹性拱结构的启发下，中国科学技术大学俞书宏课题组、吴恒安课题组的研究人员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微连拱结构。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。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。

图1、通过双向冷冻联合热处理过程获得碳-石墨烯（C-G）宏观弹性体材料

(a)材料制备过程示意图；(b)材料的微观层状连拱结构；(c)材料的无定型碳-石墨烯复合组分；(d) 材料在高应变条件下的压缩应力应变曲线；(e) 高速相机捕捉的该材料快速弹起金属球的过程；(f,g) 材料的回弹速度(f)和压缩循环中能量损耗(g)同其他相关材料的比较。

研究表明，正是基于这种独特的拱形微结构设计，所制得的材料即使由脆性的构筑组分构成，却同时具备了高度的可压缩性（经历90%压缩应变后完全恢复原状），如弹簧一样的超弹性（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；0.2左右的能量耗散因子，明显区别于国际已报道材料0.3~0.8的平均水平），以及卓越的抗疲劳性能（20%应变循环压缩10⁶次，50%应变循环压缩2.5×10⁵次，或80%应变循环压缩10⁴次基本保持结构稳定），且这些性能指标相比国际已报道的类似多孔泡沫材料具有突出的优势。

总之，这种受宏观结构启发设计制备微观结构材料的理念，为设计制备更多的新型结构材料提供重要的指导意义。该成果的另一个启示是，一些已经成熟的宏观结构力学理论同样可以用来指导微观结构材料的设计，有望实现对传统材料性能的巨大提升。

图2、材料的机械性能分析及理论模拟

(a) C-G 弹性体薄层之间的链接细节；(b) 理论模拟显示该材料的结构单位模型薄壳结构在发生大变形时其内部具有很小应变；(c) 分析该结构单元弹性性能的结构模型；(d) 具有不同层厚的C-G 弹性体（蓝色）及薄壳模型（红色）的压缩应力；(e) 有不同收缩程度的C-G 弹性体（蓝色）及不同半径的薄壳模型（红色）的压缩应力；(f) 分析相邻拱单元之间摩擦情况的结构模型；(g) 理论模拟得到的交错的拱单元之间相互挤压时的应力应变曲线；(h) 理论模拟得到的对应(g)中20%应变时模型的能量分布情况。

图3、具有不同结构的C-G宏观材料之间机械性能对比

(a-c) 具有三种不同微结构的C-G宏观材料的压缩应力应变曲线；(d-f) 具有三种不同微结构的C-G宏观材料在80%应变压缩循环过程中的最大压缩应力(d)，塑性形变(e)以及能量损耗系数(f)的变化；(g,h)原位观察C-G 弹性体被压缩过程中的微结构变化。

图4、抗疲劳强度测试

(a-c) C-G 弹性体在不同应变情况下经历不同次数压缩循环过程中的弹性力、塑性形变和能量损耗系数的变化情况；(d) C-G 弹性体在不同应变情况下经历不同次数压缩循环过程中的应力应变曲线；(e) 阿什比图表显示C-G 弹性体与其他相关材料的抗疲劳强度对比。