比強度超過鉆石！科學家設計碳的新結構

●成奇

新型碳納米板狀結構

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，在人們的生產生活之中也發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，美國加利福尼大學爾灣分校與其他機構的研究人員一起，從材料的微結構角度設計出一種碳的板狀納米結構，該結構的比強度（強度-重量比）甚至要超過鉆石。這項研究發表在了《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人表示：“這將是一個有助于改變長期以來對材料結構設計范式的、非常重要的見解，可以幫助人們創造更輕、更強、更好的材料。這是未來技術發展所需要的。”

突破幾十年的常見形態

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

碳的同素異形體在物理與化學特性上各具差異。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構。

鉆石

而這一次，鮑爾和克魯克所在的研究團隊成功設計并制造出了壁厚約160 nm 的閉孔板狀納米晶格結構材料。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構不同，研究人員用緊密連接的閉孔板“顛覆”了常規。“我們的研究是歷史上的第一個實驗證據，驗證了板架結構要優于過往通常意義上的基于橫梁連接的結構。”鮑爾非常自信地說道。通過他們的研究表明，這種板狀結構的排列方式，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值：其設計的碳納米板狀結構超出了過往碳的圓柱梁型體系結構平均強度性能的639%，剛性水平也提高了522%。“我們的碳納米板材料其中有著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，碳納米板狀晶格結構的比強度（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。”

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）

設計思路與未來應用

盡管在過去近20 年時間里，基于橫梁結構的晶格一直是超強力學性能材料的主流，但其低結構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。而“立方+拓撲結構”是已經被眾多科學家預測的，能達到多孔材料理論性能極限的幾種設計之一。

“不過此前一直都是理論，而我們的目標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測結果。”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，所以在這項實驗中他們選擇了“立方體+八隅體”設計，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構變得最為直接。

那么，橫梁與板狀結構為何有如此大的區別呢？橫梁結構可以想象有三束光垂直相交形成一個節點，當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。

但板狀結構不同，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攤這個載荷。簡單來說，橫梁結構有1/3 的材料在工作；而在基于板的結構中，2/3 的材料在工作。

在制備板狀結構時，研究團隊采用了雙光子激光直寫技術（或雙光子聚合光固化成形技術），這通常被人們稱為“雙光子3D 打印”（Two-photonpolymerization,TPP）。其原理是當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構。

早在2015 年10 月，帝國理工學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 μ m。在當時，中國國內還沒有達到該水平的相應技術。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備研發與生產的民營公司展示了擁有獨立知識產權的納米級三維光刻制造系統技術。

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構材料大約有160 nm 厚，相當于人類頭發寬度的1/400。“我們的研究包括概念化、制造，以及機械穩定性的測量，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據。”他們對DeepTech 介紹到。

不過，即便“雙光子3D 打印”在微結構的加工上具有極大的優勢，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用時，鮑爾表示：“到目前為止，我們還只能小規模生產出這種材料。下一階段的研究就是要找到方法來擴大生產材料的規模，例如通過進一步發展增材制造工藝等手段。”

“這種結構材料的應用范圍是十分廣泛的。”鮑爾認為，長遠來看，這種超高強度和極低質量密度的特性非常適合用于航空航天、汽車等領域的結構材料選擇上。當然，在生產規模還擴大不到那個程度時，可能更早的機會是將該材料應用于微型機電設備之上，例如智能手機的傳感器、小型生物醫療設備或微型衛星上等等。