近日，宾夕法尼亚大学Shu Yang（杨澍）教授团队在《Advanced Functional Materials》发表题为“Geometrically Templated, Ultra-Lightweight and High-Strength Soap Films from Lyotropic Liquid Crystalline Graphene Oxide/Polymer Composites”的研究论文（Adv. Funct. Mater.,202512357）。团队提出一种受肥皂泡启发、结合三重周期最小曲面（TPMS）几何模板与溶致液晶（LLC）态氧化石墨烯（GO）/聚合物复合皂膜的协同构筑策略，制备出超轻、高强的壳型（shellular）超材料。通过一步浸涂与受控干燥，悬膜在表面张力作用下自发形成连续光滑的最小曲面薄壳；同时，蒸发诱发的面内应力驱动 GO 片层取向与层状堆叠。在等效密度 0.063 g·cm^-3 条件下，材料实现比强度 384.30 N·m·kg^-1与吸能 1.59 kJ·kg^-1。论文共同第一作者为Yinding Chi（赤银鼎）与Yuchong Gao（高羽冲）。

图 1PVA/GO 皂膜涂覆 Schwarz-P 表面的制备与承载演示

  在轻量化与高效能量吸收需求不断增长的背景下，如何在极低密度下同时获得高强度与高耗能能力，是材料与结构设计的核心挑战。传统以杆件为基本单元的晶格/超材料因构件细长、连通性受限，易发生弯曲屈曲与脆性失效；相较之下，具有连续曲率的薄壳单元可将受力由弯曲主导转为伸展主导，显著提升承载效率并延缓失稳。然而，常规堆叠式的增材制造难以兼顾超薄壁、连续曲面与低缺陷成形。本研究据此提出，以 3D 打印的 Schwarz-P 型 TPMS 线框提供几何边界，利用 GO 的 LLC 预序与干燥过程中的面内压缩，使 GO 片层沿主应力方向择优取向并层状堆叠，在宏观壳体中嵌入各向异性增强与耗能机制（图1）。

制备与形貌演化

  研究采用 DLP 3D 打印获得 Schwarz-P 线框，以 PVA 溶液与 GO 水溶液形成的水系皂膜进行浸涂，并在受控湿度下干燥。双侧液气界面的蒸发建立渗透压差与面内压缩，促使悬膜自发成形为最小曲面；GO 片层在 LLC 预序基础上发生低能耗重排与定向堆叠。完全干燥后，跨越区域形成连续薄膜（中心厚度约 15 μm）。在等边三角形、正方形等多边形模板中，靠近顶角区域沿角平分线法向出现规则起伏与层状纹理；中心区域因边界约束较弱而呈相对无序皱褶。偏振光显微与角分辨偏振拉曼证实 GO 取向分布与应力方向一致；有限元模拟（以热收缩等效干燥收缩）同样表明最大主应力方向与取向域相符（图2）。

图 2不同几何模板上的 PVA/GO 皂膜及其力学性能

多尺度力学性能

  在单膜层级，PVA/GO 皂膜表现出显著力学增强：杨氏模量 2.47 GPa、极限强度 95 MPa、韧性 15 MJ·m^-3，均高于对应浇铸膜与纯 PVA 皂膜。其强化来源于 GO 的高本征模量，以及取向差异与层间滑移共同带来的裂纹钝化。

  在结构层级，团队基于多面体图静力（PGS）设计不同网格细分（菱形三角 、多面体、三角化），在保持总体积与等效密度一致的前提下开展对比：当网格密度较高、跨膜面积较小（多面体/三角化）时，皂膜难以承担并重分配主载荷，涂覆增益有限；当降低网格密度、增大跨膜面积（菱形三角）时，受力由杆—梁弯曲转为薄膜伸展并伴随受控后屈曲，PVA/GO 涂覆样品的比强度、比刚度与比韧性均显著提升，其中比强度可达 384.30 N·m·kg^-1 （图3）。作者同时展示了 2×2 Schwarz-P 阵列在未涂覆、PVA 涂覆与 PVA/GO 涂覆条件下的承载对比，以及超轻 2×2 P 结构涂覆 PVA/GO 皂膜后置于气球上承受保龄球重量的演示。

图3 壳型 Schwarz-P（Primitive, P）结构的力学性能及其网格密度对机械强度的调控机制

动态响应与应用验证

  在系统化压缩与冲击测试中，2×2 菱形三角阵列的 PVA/GO 壳型样品相较 PVA 涂覆与裸框均表现出更高吸能，归一化吸能值达 1.59 kJ·kg^-1；随摆锤释放高度提升（更高应变率），吸能进一步增强，显示该壳型在高应变率下具备更有效的耗能。工程相关的 1:24 缩比车辆正碰实验表明：当以壳型 TPMS 作为保险杠单元时，假人头部速度与加速度峰值分别降低 66% 与 61%，碰撞过程被有效拉长、冲击峰值显著减弱（图4）。

  本研究通过“几何模板，表面张力—蒸发取向”的层级耦合策略，在超轻量条件下同步提升比强度与吸能能力，验证了 LLC-GO/聚合物复合皂膜用于最小曲面壳体的有效性。该路线工艺简洁、材料体系通用、参数可编程，具备良好的规模化潜力与应用前景，可面向交通防撞、航天缓冲、个人防护、建筑围护与生物医用支架等场景。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202512357