浙江大学高超教授团队与合作者《Nat. Mater.》：二维分子超倍拉伸纺丝实现高强高导热石墨烯纤维
石墨烯作为二维（2D）材料的杰出代表，其单层本征强度高达130 GPa，热导率可达5300 W·m⁻¹·K⁻¹，是构建高强高导热宏观材料的理想单元。然而，将单层石墨烯的卓越性能高效传递至宏观尺度，一直是材料科学领域面临的重大挑战。氧化石墨烯（GO）液晶通过湿法纺丝可以制备石墨烯纤维（GFs），领域内发展了一系列针对粒子有序化的方法提高纤维结构有序化，提升纤维的力学与传导综合性能，如纺丝孔道内定向流动以及后续拉伸结构重整。
纤维不拉伸不强。回顾高性能纤维的制备历史，超高拉伸比纺丝（λ > 5）是提升分子取向、消除多尺度缺陷的关键制造技术，这也是线形高分子高性能纤维的通用方法。然而，对于2D分散体系，由于独立片层之间不存在类似聚合物链的几何拓扑缠结，其流体一直被认为不具备强粘弹性，无法实现超高倍拉伸流动。因此，超高拉伸比纺丝这一关键方法在2D片片组装纤维领域长期未能实现。
浙江大学高分子科学与工程学系许震长聘副教授、李鹏专职研究员、高超教授联合工程力学系潘定一研究员，针对上述科学难题开展了深入研究。基于对GO分散体系流体动力学的长期深入研究，研究团队另辟蹊径，从调控溶剂粘度入手，首次发现了2D片层分散体在高粘度溶剂中表现出类聚合物的强粘弹性，揭示了2D片分子体系中以界面水动力（Hydrodynamic Force, HF）为新主导作用机制，解锁了2D材料超高拉伸比纺丝的新方法，为高性能石墨烯纤维的制备提供了新原理。
2026年8月28日，相关成果以Ultrahigh-ratio drawing during spinning achieves graphene fibres with high strength and thermal conductivity为题的研究论文在线发表于Nature Materials。
工作亮点
首次在2D片层流体中发现类聚合物强粘弹性
研究团队采用高粘度甘油（ηs≈960 mPa·s）作为GO分散介质，首次观察到1.0 vol% GO/甘油分散液表现出极强的粘弹性，分散液可以直接拉伸成丝，最大伸长比χ高达1080%，而传统水体系仅约80%。还首次在2D分散体系中观测到经典的Weissenberg效应（爬杆效应）和无管虹吸现象等强粘弹性特征。这一发现首次揭示了2D片分散体系可以具备聚合物般的强粘弹性，打破了2D片层分散液无缠结极弱粘弹的认知。
2. 揭示2D分散体系的HF主导机制
实验与模拟研究揭示了2D分散体粘弹性由溶剂粘度主导：χ与溶剂粘度（ηs）呈线性正相关，与溶剂种类无关。高粘度溶剂中片层-溶剂界面产生强流体动力学关联力（HF），其强度（~5.4×10⁴ Pa）比水体系高三个数量级，远超片层间范德华力。强HF有效关联相邻片层运动，在宏观上表现为类似聚合物链缠结的粘弹性响应。耗散粒子动力学（DPD）模拟证实HF贡献超过90%的粘弹性应力。研究首次揭示了2D分散体系的流动是以HF作用为主导，是2D片几何拓扑特征所决定的特征机制，为其液相组装提供了新的调控原理。
3. 实现超高拉伸比纺丝，石墨烯纤维综合性能大幅提升
基于所揭示的强粘弹性原理，团队成功实现连续超高拉伸比纺丝，拉伸比λ达11，相比传统湿法纺丝（λ<1.5）和塑化纺丝（λ≤2）提升450%–730%。原位同步辐射SAXS证实，超高拉伸使片层取向度从0.71提升至0.85，层间距从24.5 nm降至18.1 nm，显著抑制了片层面外褶皱。经2800 °C热处理后，超高拉伸比石墨烯纤维（UrDGFs）展现出卓越的综合性能：拉伸强度5.9 GPa、杨氏模量963 GPa、电导率1.32×10⁶ S·m⁻¹、热导率1720 W·m⁻¹·K⁻¹。其中热导率超越所有已报道纤维材料（包括金属、陶瓷、碳纤维、碳纳米管纤维及石墨纤维），强度与Kevlar和沥青基碳纤维相当，首次在单一纤维中实现高强度与高导热性的协同。该原理对MXene、黏土等2D材料同样适用——MXene纤维强度提升约150%，为广谱2D材料高性能纤维的制备提供了通用策略。
图文导读
图1 不同GO分散液宏观流变行为对比——GO/甘油分散体液丝的光子晶体色彩、无管虹吸与Weissenberg效应 vs GO/水溶液沙漏状液桥，直观呈现2D片层强粘弹性的发现。
传统观点认为，2D片层分散体系属于简单的胶体悬浮液，其流体行为类似于牛顿流体，不具备类似聚合物熔体的粘弹性，因此无法承受高拉伸变形。研究团队通过系统筛选溶剂体系，创新性地采用高粘度甘油（ηs ≈ 960mPa·s，比水高约三个数量级）作为GO分散介质，首次观察到GO/甘油分散体系表现出惊人的高拉伸流动性：1.0 vol%的分散液可以直接拉伸成丝，最大伸长比（χ）高达1080%，而传统水体系GO分散体的χ仅约80%。更为引人注目的是，GO/甘油分散体还表现出经典的Weissenberg效应（爬杆效应）和Tubeless Siphon（无管虹吸）现象，这些都是强粘弹性流体的标志性特征。这一发现首次证明了2D片层流体可以具备聚合物般的强粘弹性，为2D材料的高性能加工奠定了流变学基础。
图2 机制解析——χ-ηs线性关系、N1定量表征、HF微观起源示意图、HF与范德华力的强度对比、DPD模拟验证HF贡献>90%。
为阐明2D片层流体强粘弹性的物理起源，研究团队开展了系统的流变学表征与多尺度模拟。实验发现，分散体的最大伸长比χ与溶剂粘度ηs呈近似线性正相关关系，与溶剂种类无关，表明溶剂粘度是主导粘弹性行为的关键因素。通过毛细管断裂拉伸流变仪和锥板旋转流变仪，团队定量测得了分散体的第一法向应力差（N1），其在拉伸和剪切条件下均随ηs的增加而显著增大，进一步证实了强粘弹性的存在。深入的理论分析揭示，高粘度溶剂中丰富的片层-溶剂界面产生了强流体动力学关联力（HF）。
图3 超倍拉伸纺丝工艺与有序化——连续纺丝装置、λ=11的直径演变追踪、与传统纺丝方法的拉伸比对比、偏光织构差异、原位SAXS取向度与层间距演化。
基于发现的强粘弹性，研究团队设计并搭建了连续超高拉伸比纺丝装置，成功将拉伸比λ提升至11，相比传统湿法纺丝（λ < 1.5）和塑化纺丝（λ≤ 2）提高了450%–730%，首次在2D材料纤维领域实现了真正意义上的超高拉伸比纺丝。原位同步辐射小角X射线散射（SAXS）实时追踪了纺丝过程中片层的结构演变。结果表明，随着λ的增加，片层取向度从0.71显著提升至0.85，片层间距从24.5 nm减小至18.1 nm，表明超高拉伸不仅促进了片层的轴向取向，还产生了显著的片层展平效应，有效抑制了片层的面外褶皱，为后续高温石墨化过程中形成大尺度石墨晶畴奠定了结构基础。
图4 纤维结构与性能——SEM表面/截面形貌、大晶畴、WAXS/SAXS取向度、结构模型对比、S-κ协同提升。
2800 °C高温热处理后，超高拉伸比纺丝制备的石墨烯纤维（UrDGFs）展现出卓越的综合性能。当λ从1增加至10时，纤维密度从1.33 g·cm⁻³提升至2.05 g·cm⁻³，拉伸强度（S）提升约10倍至5.9 GPa，杨氏模量（E）提升约35倍至963 GPa，电导率（δ）提升250%至1.32×10⁶ S·m⁻¹，热导率（κ）提升200%至1720 W·m⁻¹·K⁻¹。UrDGFs首次在单一纤维材料中实现了高强度与高导热性的优异协同，为航空航天热管理、高功率线缆、电磁屏蔽等高端应用提供了全新材料选择。