给石墨烯片层“造褶”，强度2.9 GPa，Nature！

导语

二维石墨烯单片本身的力学性能相当出色，可一旦把大量片层组装成宏观薄膜，片层间滑移就会让载荷难以有效传递，强度与韧性常常顾此失彼。王立丹等人的研究论文没有继续追求片层平整，而是制备表面带褶皱的多层氧化石墨烯，并组装成褶皱扣合层状结构，通过拉-推转变实现剪切锁定的应力传递[1]。该团队制备的 SFRG-1 薄膜拉伸强度达 2.9 GPa，为对照还原石墨烯薄膜 0.8 GPa 的 2.6 倍[1]。这项工作发表在 Nature 期刊。别人都在想办法把片层铺平，他们偏要主动造出褶皱，这个反直觉的念头正是全文的起点。对生化环材方向的硕博研究生来说，这篇文章真正值得看的地方，是怎样从单片构型入手去重新安排层间载荷传递。读的时候可以盯住两条主线：褶皱从何而来，以及它在薄膜中如何保留下来。这也是它区别于多数同类工作的地方。

研究背景

二维片层薄膜的力学设计长期围绕剪切滞后模型，这套模型以天然珍珠层的砖泥结构为原型，认为层状材料要变强，就把片层铺平、码齐。沿着这个框架，研究者通常只做两件事，要么把片层码得更齐，要么在层间添点相互作用。这一框架管了很多年，也为二维薄膜研究立了坐标，但它的天花板就摆在那里：求齐、求密总有尽头。麻烦在于，二维片层薄膜的载荷几乎全压在层间界面上，界面一旦滑动，性能就大打折扣；只要片层还在靠相对滑动承力，强度与韧性就很难两头都占。王立丹等人的工作选择在单片层面改变氧化石墨烯的形貌，所制备的表面褶皱多层氧化石墨烯 SFGO 具有约 5 nm 的晶态内核与约 2 nm 的表面褶皱，形成夹层结构[1]。内核保留晶格、表面带着褶皱，这种不对称的结构为后续的机械互锁埋下了伏笔，也把注意力从片层之间的界面拉回到单片自身的空间构型。换句话说，片层之间的那层界面，既是二维薄膜的命门，也是它性能的瓶颈所在。

主文献研究设计与关键方法

该研究通过改进 Hummers 法在低温下制备表面褶皱的多层氧化石墨烯 SFGO，经刮涂与化学还原制成 SFRG 薄膜[1]。与单层氧化石墨烯不同，SFGO 的褶皱在组装过程中被保留下来，并在相邻片层之间形成间隔褶皱，构成区别于常规堆叠的层状排布。低温氧化让石墨片边缘优先膨胀，在保住较完整晶格内核的同时，把褶皱长到了表面上，这层异质结构是可以调控的。想重复这项工作的人，最该盯住的是低温氧化的温度控制，它直接决定褶皱的形貌与分布。

图1｜表面褶皱氧化石墨烯（SFGO）的合成与结构表征。a，石墨低温氧化得到「褶皱外壳—晶态内核」SFGO 的示意；b，SFGO-1 水分散液照片；c、d，原子力显微镜（AFM）高度图与表面褶皱形貌；e–g，球差校正透射电镜（AC-TEM）俯视与侧视图像，显示约 5 nm 晶态内核与约 2 nm 表面褶皱。（图片来源：P1 Fig.1, Nature 658, 644, 2026）

从 SFGO 到 SFRG，要经过分散、刮涂、还原三步，每一步都可能影响褶皱最后能留下多少。这一步的巧妙之处，是把"平面片层"这个默认前提先拆掉，让后面的组装与表征都围着新片层形态来转。该工艺具备进一步放大的潜力，该研究制备了尺寸达 700 cm × 40 cm 的大面积 SFRG 薄膜[1]。能做到大面积成膜，说明这套策略没有停留在实验室小样，对之后面向轻质结构件的评估十分关键。

图2｜具有褶皱扣合层状（FCL）结构 SFRG 薄膜的制备与表征。a、b，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上刮涂成膜示意；c，FCL 结构的符号表示；d，700 cm × 40 cm 大面积薄膜照片；e，聚焦离子束（FIB）截面扫描电镜像；f，AC-TEM 图像显示片层间的间隔褶皱（黄色标记扣合褶皱）。（图片来源：P1 Fig.2, Nature 658, 645, 2026）

褶皱不是贴在片层上的装饰，它来自氧化过程本身对片层空间形貌的改造，这一点想通了，后面的力学结果也就不难理解。这套流程不算复杂，却步步关键，值得在实验记录里单独立一条。

关键结果

在力学性能方面，SFRG-1 薄膜断裂应变最高达 6.5%，约为对照还原石墨烯薄膜 3.2% 的两倍[1]。同一薄膜的韧性达 84.5 MJ m^-3[1]。这两个数摆在一起的意思，是这层膜既能拉开较大变形，又能吃下可观能量，而不是一拉就脆断。弹性方面，SFRG-1 薄膜在 4% 应变下循环拉伸 100 次仍保持 1.9 GPa 的高应力[1]。拉伸过程中片层取向度由 0.77 升至 0.86，卸载后恢复[1]。取向度能跟着载荷可逆地变化，说明膜里有一个会随受力反复开合的结构单元，不是一次性拉坏。

图3｜SFRG 薄膜力学性能与扣合机理。a，应力-应变曲线；b–d，强度、断裂伸长率与韧性随片层厚度变化；e，4% 应变下 100 次循环拉伸曲线；f，取向度随加载/卸载演化；g，钢球反弹实验；h–j，平整与折叠模型的应力分布及粗粒化分子动力学应力-应变曲线；k–m，阶梯状断裂形貌与断裂边缘互锁褶皱。（图片来源：P1 Fig.3, Nature 658, 646, 2026）

分子动力学模拟给出了机理层面的解释：折叠层状模型应力升至 3.8 GPa，超过平整层状模型的应力平台[1]。拉-推传力模型的应力传递效率达 96%[1]。模拟和实验相互印证，共同指向同一件事：褶皱扣合改变了载荷传递的路径。拉伸曲线、取向度、分子模拟这几路证据各自独立，却给出同一个结构图像，这比任何单张表征都更站得住脚。强度、韧性、弹性这三样在这层膜上同时站到了同一边，也正因如此，这篇工作才值得认真读一遍。从拉得动、到弹得回、再到模拟说得通，证据链是完整的，对读者来说，能跟着这条链走一遍，比记住结论更有收获。

图4｜SFRG 薄膜与其他层状薄膜的强度-韧性对比及传力模型。a，强度-韧性对比图；b，剪切锁定「拉-推力链」（乐高咬合）模型；c，剪切滞后「张力链」（纸片黏合）模型。（图片来源：P1 Fig.4, Nature 658, 647, 2026）

补充文献对照

补充文献2 为钟晶等人发表于 Nature Communications 的工作，提出连续离心浇铸实现二维纳米片高度取向致密薄膜，还原氧化石墨烯薄膜强度约 660 MPa[2]。这条路线和主文献的刮涂组装不同，但都认同一件事：片层取向与致密化是力学性能的前提，可以当方法层面的对照。它靠离心力把片层甩齐，成膜快，但走的仍是"求齐"的老路。两篇放在一起读，能分清"取向致密"与"构型互锁"这两种增强逻辑，前者要把片层尽量码齐，后者偏要留出褶皱来咬合。

补充文献3 为全义伟等人发表于 Nanomaterials 的工作，通过高氧化石墨烯插层与硼酸桥联提升氧化石墨烯薄膜力学性能，强度达 417.2 MPa、模量 43.8 GPa、韧性 2.5 MJ m^-3[3]。这一篇代表界面键合增强这条老路，和主文献的构型互锁正好相对。它靠化学键把片层钉在一起，与主文献的机械咬合是两条路子，正好拿来对照，两篇并读会看到二维材料薄膜的增强不止一条正解。

补充文献4 综述了石墨烯及石墨烯基纳米复合材料本征力学性能现状与拉曼光谱表征[4]。这篇综述把主文献的性能放回整个石墨烯家族的坐标里，也提示拉曼光谱能用来估氧化程度和力学性能的关联，是读主文献时值得借力的方法学入口。三篇补充各自补上一块：方法、界面键合、背景综述，凑起来正好把主文献略过的部分填上。想系统进入这个方向，不妨先读综述定坐标，再看两篇方法对照分清"求齐"与"造褶"两条路，最后回到主文献，会顺得多。四篇论文的定位各不相同，却都指向同一处：二维片层的排列方式决定性能上限。

局限与证据边界

褶皱互锁并非越多越好，SFRG-1 薄膜孔隙体积分数为 4.3%，对照还原石墨烯薄膜为 9.6%[1]。 SFGO 片层一厚，薄膜里的孔隙就多起来，宏观性能反而掉，说明致密和互锁之间存在此消彼长。把这个平衡点找准，是这条路线走向应用前绕不开的一步。这些力学数据对应特定的还原工艺与测试条件，跨体系外推还需要在统一条件下验证。主文献以氧化石墨烯为起点，结论能不能搬到 MXene、氮化硼这些二维材料上，仍有待后续工作。分子模拟用的理想化模型，和真实薄膜之间还有尺度与缺陷上的差距，模拟结论宜当作机理层面的旁证，而不是对实验的完全替代。褶皱的几何参数和力学性能之间到底是什么定量关系，目前还是个没填上的空。这也是读这类工作时常被忽略、却最影响复现的一环。

启示

对研究生而言，这项工作的启示在于把实验设计重心从界面增强转向构型调控，即通过制备表面带褶皱的氧化石墨烯、再借助刮涂与化学还原保留其空间构型，来提升二维材料薄膜的力学性能[1]。表征上，取向度与孔隙体积分数这两个量值得同时盯，它们共同圈定了宏观力学性能的边界，再配合分子动力学模拟去验证构型层面的载荷传递路径。要设计可证伪的实验，不妨从一个简单对照入手：同一批氧化石墨烯，只改表面褶皱的有无，其余条件一律不动，看强度和韧性怎么变，这样就能把构型这一个变量从一堆因素里单独拎出来。构型这一变量一旦单独拎出来，很多看似玄的力学差异都能落到可测量的几何量上。这套"褶皱扣合"的思路，也可以搬到自己的材料体系里，看看构型调控是不是同样管用。与其一味追强度上限，不如先想清楚自己体系里片层到底该怎么摆。

参考文献

[1] Lidan Wang, Yangchao Liao, Jingjie Huang, et al. Clasping folds enable superior elastic strength of graphene films. Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11109-y

[2] Jing Zhong, Wei Sun, Qinwei Wei, et al. Efficient and scalable synthesis of highly aligned and compact two-dimensional nanosheet films with record performances. Nature Communications, 2018. DOI: 10.1038/s41467-018-05723-2

[3] Yiwei Quan, Peng He, Guqiao Ding. Mechanical Improvement of Graphene Oxide Film via the Synergy of Intercalating Highly Oxidized Graphene Oxide and Borate Bridging. Nanomaterials, 2025. DOI: 10.3390/nano15080630

[4] Dimitrios G. Papageorgiou, Ian A. Kinloch, Robert J. Young. Mechanical properties of graphene and graphene-based nanocomposites. Progress in Materials Science, 2017. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2017.07.004

信息来源：科学10分钟

2026中国国际石墨烯创新大会

11月13-15日中国·温州

“2026年中国国际石墨烯创新大会”将由石墨烯产业技术创新战略联盟（CGIA）和正泰集团联合主办，将于2026年11月13-15日在温州市（乐清）举办。大会聚焦石墨烯应用市场，着力促进石墨烯创新成果与产业端的深度对接合作，推动石墨烯产业迈向高质量发展新阶段。2026中国国际石墨烯材料应用博览会将同期举办。

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??重磅征稿｜2026 中国国际石墨烯创新大会论文征集通知

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