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  近日，賓夕法尼亞大學Shu Yang（楊澍）教授團隊在《Advanced Functional Materials》發表題為“Geometrically Templated, Ultra-Lightweight and High-Strength Soap Films from Lyotropic Liquid Crystalline Graphene Oxide/Polymer Composites”的研究論文（Adv. Funct. Mater.,202512357）。團隊提出一種受肥皂泡啟發、結合三重周期最小曲面（TPMS）幾何模板與溶致液晶（LLC）態氧化石墨烯（GO）/聚合物復合皂膜的協同構筑策略，制備出超輕、高強的殼型（shellular）超材料。通過一步浸涂與受控干燥，懸膜在表面張力作用下自發形成連續光滑的最小曲面薄殼；同時，蒸發誘發的面內應力驅動 GO 片層取向與層狀堆疊。在等效密度 0.063 g·cm^-3 條件下，材料實現比強度 384.30 N·m·kg^-1與吸能 1.59 kJ·kg^-1。論文共同第一作者為Yinding Chi（赤銀鼎）與Yuchong Gao（高羽沖）。

圖 1PVA/GO 皂膜涂覆 Schwarz-P 表面的制備與承載演示

  在輕量化與高效能量吸收需求不斷增長的背景下，如何在極低密度下同時獲得高強度與高耗能能力，是材料與結構設計的核心挑戰。傳統以桿件為基本單元的晶格/超材料因構件細長、連通性受限，易發生彎曲屈曲與脆性失效；相較之下，具有連續曲率的薄殼單元可將受力由彎曲主導轉為伸展主導，顯著提升承載效率并延緩失穩。然而，常規堆疊式的增材制造難以兼顧超薄壁、連續曲面與低缺陷成形。本研究據此提出，以 3D 打印的 Schwarz-P 型 TPMS 線框提供幾何邊界，利用 GO 的 LLC 預序與干燥過程中的面內壓縮，使 GO 片層沿主應力方向擇優取向并層狀堆疊，在宏觀殼體中嵌入各向異性增強與耗能機制（圖1）。

制備與形貌演化

  研究采用 DLP 3D 打印獲得 Schwarz-P 線框，以 PVA 溶液與 GO 水溶液形成的水系皂膜進行浸涂，并在受控濕度下干燥。雙側液氣界面的蒸發建立滲透壓差與面內壓縮，促使懸膜自發成形為最小曲面；GO 片層在 LLC 預序基礎上發生低能耗重排與定向堆疊。完全干燥后，跨越區域形成連續薄膜（中心厚度約 15 μm）。在等邊三角形、正方形等多邊形模板中，靠近頂角區域沿角平分線法向出現規則起伏與層狀紋理；中心區域因邊界約束較弱而呈相對無序皺褶。偏振光顯微與角分辨偏振拉曼證實 GO 取向分布與應力方向一致；有限元模擬（以熱收縮等效干燥收縮）同樣表明最大主應力方向與取向域相符（圖2）。

圖 2不同幾何模板上的 PVA/GO 皂膜及其力學性能

多尺度力學性能

  在單膜層級，PVA/GO 皂膜表現出顯著力學增強：楊氏模量 2.47 GPa、極限強度 95 MPa、韌性 15 MJ·m^-3，均高于對應澆鑄膜與純 PVA 皂膜。其強化來源于 GO 的高本征模量，以及取向差異與層間滑移共同帶來的裂紋鈍化。

  在結構層級，團隊基于多面體圖靜力（PGS）設計不同網格細分（菱形三角 、多面體、三角化），在保持總體積與等效密度一致的前提下開展對比：當網格密度較高、跨膜面積較小（多面體/三角化）時，皂膜難以承擔并重分配主載荷，涂覆增益有限；當降低網格密度、增大跨膜面積（菱形三角）時，受力由桿—梁彎曲轉為薄膜伸展并伴隨受控后屈曲，PVA/GO 涂覆樣品的比強度、比剛度與比韌性均顯著提升，其中比強度可達 384.30 N·m·kg^-1 （圖3）。作者同時展示了 2×2 Schwarz-P 陣列在未涂覆、PVA 涂覆與 PVA/GO 涂覆條件下的承載對比，以及超輕 2×2 P 結構涂覆 PVA/GO 皂膜后置于氣球上承受保齡球重量的演示。

圖3 殼型 Schwarz-P（Primitive, P）結構的力學性能及其網格密度對機械強度的調控機制

動態響應與應用驗證

  在系統化壓縮與沖擊測試中，2×2 菱形三角陣列的 PVA/GO 殼型樣品相較 PVA 涂覆與裸框均表現出更高吸能，歸一化吸能值達 1.59 kJ·kg^-1；隨擺錘釋放高度提升（更高應變率），吸能進一步增強，顯示該殼型在高應變率下具備更有效的耗能。工程相關的 1:24 縮比車輛正碰實驗表明：當以殼型 TPMS 作為保險杠單元時，假人頭部速度與加速度峰值分別降低 66% 與 61%，碰撞過程被有效拉長、沖擊峰值顯著減弱（圖4）。

  本研究通過“幾何模板，表面張力—蒸發取向”的層級耦合策略，在超輕量條件下同步提升比強度與吸能能力，驗證了 LLC-GO/聚合物復合皂膜用于最小曲面殼體的有效性。該路線工藝簡潔、材料體系通用、參數可編程，具備良好的規模化潛力與應用前景，可面向交通防撞、航天緩沖、個人防護、建筑圍護與生物醫用支架等場景。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202512357