比強度超過鉆石！ 科學(xué)家設(shè)計碳的新結(jié)構(gòu)

成奇

鉆石，以其璀璨耀眼的光芒、堅硬持久的特性在情侶之間有著極為特別的含義。而作為鉆石的原石，同為固體碳材料的金剛石是自然界中最堅硬的物質(zhì)，在人們的生產(chǎn)生活之中也發(fā)揮著極為重要的作用。

金剛石之所以會被打磨成鉆石，最重要的原因在于它的硬度。它不會被其他任何東西刮花，可以始終保持自身光澤。此外，它有著良好的色散特性，能將白光分散為向外擴散的彩虹光芒，增添了其自身魅力。

而近日，美國加利福尼大學(xué)爾灣分校與其他機構(gòu)的研究人員一起，從材料的微結(jié)構(gòu)角度設(shè)計出一種碳的板狀納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的比強度（強度-重量比）甚至要超過鉆石。這項研究發(fā)表在了《自然通訊》雜志上。

延斯·鮑爾和卡梅倫·克魯克作為這項研究的主要負責(zé)人表示：“這將是一個有助于改變長期以來對材料結(jié)構(gòu)設(shè)計范式的、非常重要的見解，可以幫助人們創(chuàng)造更輕、更強、更好的材料。這是未來技術(shù)發(fā)展所需要的?！?h3>突破幾十年的常見形態(tài)

碳，可謂是地球上最引人矚目的元素之一，其有著不同結(jié)構(gòu)的同素異形體，并存在于我們生活中近乎九成以上的已知物質(zhì)中。

碳的同素異形體在物理與化學(xué)特性上各具差異。除了人們生活中所熟知的鉆石、石墨和金剛石，還有在科學(xué)界鼎鼎有名的 C-60（富勒烯）、碳納米管和石墨烯等眾多取得過諸多榮譽、目前被廣泛研究的分子結(jié)構(gòu)。

而這一次，鮑爾和克魯克所在的研究團隊成功設(shè)計并制造出了壁厚約 160 nm 的閉孔板狀納米晶格結(jié)構(gòu)材料。這種碳納米材料與過往幾十年來，人們所常見的圓柱形桁架組成的碳結(jié)構(gòu)不同，研究人員用緊密連接的閉孔板 “顛覆”了常規(guī)。“我們的研究是歷史上的第一個實驗證據(jù)，驗證了板架結(jié)構(gòu)要優(yōu)于過往通常意義上的基于橫梁連接的結(jié)構(gòu)。” 鮑爾非常自信地說道。通過他們的研究表明，這種板狀結(jié)構(gòu)的排列方式，讓其制備出的樣品近乎達到了多孔材料強度和剛度的理論極限。

他們在論文中提到了具體數(shù)值：其設(shè)計的碳納米板狀結(jié)構(gòu)超出了過往碳的圓柱梁型體系結(jié)構(gòu)平均強度性能的 639%，剛性水平也提高了 522%?！拔覀兊奶技{米板材料其中有著 40%～80% 的空隙，這使得它們像聚合物泡沫一樣輕。但同時，它們還比任何金屬或合金，比如鋼鐵的強度還要高很多，而這些金屬會是其重量的十倍以上?！?鮑爾解釋：“此外，碳納米板狀晶格結(jié)構(gòu)的比強度（強度-重量比）甚至還要超過某些類型的塊體金剛石，而塊體金剛石是已知的比強度最高的塊體材料。

新型碳納米板狀結(jié)構(gòu)

2015 年光子 3D打印制 造 的 100 微米長的“長城”

2019 年中國公司制造的 納米 級遼 寧 艦航母模型（來自北京魔技納米科技有限公司）

設(shè)計思路與未來應(yīng)用

盡管在過去近 20 年時間里，基于橫梁結(jié)構(gòu)的晶格一直是超強力學(xué)性能材料的主流，但其低結(jié)構(gòu)效率實際上將材料的性能限制在了一定的彈性模量范圍之內(nèi)。而 “立方 + 拓撲結(jié)構(gòu)” 是已經(jīng)被眾多科學(xué)家預(yù)測的，能達到多孔材料理論性能極限的幾種設(shè)計之一。

“不過此前一直都是理論，而我們的目標(biāo)是實際制造出一種可以達到性能極限的材料，并最終證明那些可以追溯到十多年前的理論預(yù)測結(jié)果?！?延斯·鮑爾分析稱，之前沒有被驗證的主要原因在于制造工藝上始終面臨著重大挑戰(zhàn)，所以在這項實驗中他們選擇了 “立方體 +八隅體”設(shè)計，正是因為它的簡單性，這讓通過雙光子光刻和熱解的方法合成該結(jié)構(gòu)變得最為直接。

那么，橫梁與板狀結(jié)構(gòu)為何有如此大的區(qū)別呢？橫梁結(jié)構(gòu)可以想象有三束光垂直相交形成一個節(jié)點，當(dāng)你對其中一根橫梁施加壓力時，只有特定那根在受力，而另外兩根沒有承受任何壓力。

但板狀結(jié)構(gòu)不同，想象三個板塊相交形成一個角，如果你朝一個方向推動其中一塊，那么另外兩塊板同樣會分?jǐn)傔@個載荷。簡單來說，橫梁結(jié)構(gòu)有1/3的材料在工作;而在基于板的結(jié)構(gòu)中，2/3的材料在工作。

在制備板狀結(jié)構(gòu)時，研究團隊采用了雙光子激光直寫技術(shù)（或雙光子聚合光固化成形技術(shù)），這通常被人們稱為 “雙光子 3D 打印”（Two-photonpolymerization， TPP）。其原理是當(dāng)激光聚焦在一滴紫外線感光的液體樹脂中時，分子同時受到兩個光子的撞擊，從而讓材料變成了一種固體聚合物。它可以非常簡單方便地加工出具有周期性排列順序的微納結(jié)構(gòu)。

早在 2015 年 10 月，帝國理工學(xué)院楊廣中教授團隊曾將一段長城模型打印在正方形硅片上，長度只有 100 μm 。在當(dāng)時，中國國內(nèi)還沒有達到該水平的相應(yīng)技術(shù)。不過在 2019 年，一家成立于北京的、從事商用納米級三維制造設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)的民營公司展示了擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的納米級三維光刻制造系統(tǒng)技術(shù)。

而如今，鮑爾和克魯克等人的這項研究所制備的納米板狀結(jié)構(gòu)材料大約有 160 nm 厚，相當(dāng)于人類頭發(fā)寬度的 1/400。“我們的研究包括概念化、制造，以及機械穩(wěn)定性的測量，之后再通過有限元分析法用計算機模擬，并用納米 CT 掃描來分析觀察到的各項數(shù)據(jù)?！?他們對 DeepTech 介紹到。

不過，即便 “雙光子 3D 打印” 在微結(jié)構(gòu)的加工上具有極大的優(yōu)勢，但并非毫無缺點。和老照相機需要洗膠片相似，TPP 的光敏材料也需要進行顯影和定影等過程，從而將要打印的 3D 物體固定下來，整體的加工過程相對繁瑣。

因此，在回答該研究在未來是否能投入應(yīng)用時，鮑爾表示：“到目前為止，我們還只能小規(guī)模生產(chǎn)出這種材料。下一階段的研究就是要找到方法來擴大生產(chǎn)材料的規(guī)模，例如通過進一步發(fā)展增材制造工藝等手段?！?/p>

“這種結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用范圍是十分廣泛的?！?鮑爾認(rèn)為，長遠來看，這種超高強度和極低質(zhì)量密度的特性非常適合用于航空航天、汽車等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)材料選擇上。當(dāng)然，在生產(chǎn)規(guī)模還擴大不到那個程度時，可能更早的機會是將該材料應(yīng)用于微型機電設(shè)備之上，例如智能手機的傳感器、小型生物醫(yī)療設(shè)備或微型衛(wèi)星上等等。（摘自美《深科技》）（編輯/費勒萌）