比強(qiáng)度超過(guò)鉆石！ 科學(xué)家設(shè)計(jì)碳的新結(jié)構(gòu)

成奇

鉆石，以其璀璨耀眼的光芒、堅(jiān)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(jiān)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(huì)被打磨成鉆石，最重要的原因在于它的硬度。它不會(huì)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(kuò)散的彩虹光芒，增添了其自身魅力。

而近日，美國(guó)加利福尼大學(xué)爾灣分校與其他機(jī)構(gòu)的研究人員一起，從材料的微結(jié)構(gòu)角度設(shè)計(jì)出一種碳的板狀納米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度（強(qiáng)度-重量比）甚至要超過(guò)鉆石。這項(xiàng)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(xiàng)研究的主要負(fù)責(zé)人表示：“這將是一個(gè)有助于改變長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范式的、非常重要的見(jiàn)解，可以幫助人們創(chuàng)造更輕、更強(qiáng)、更好的材料。這是未來(lái)技術(shù)發(fā)展所需要的?！?h3>突破幾十年的常見(jiàn)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(guò)諸多榮譽(yù)、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(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)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(guò)往幾十年來(lái)，人們所常見(jiàn)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)?！拔覀兊难芯渴菤v史上的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，驗(yàn)證了板架結(jié)構(gòu)要優(yōu)于過(guò)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(shuō)道。通過(guò)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(dá)到了多孔材料強(qiáng)度和剛度的理論極限。

他們?cè)谡撐闹刑岬搅司唧w數(shù)值：其設(shè)計(jì)的碳納米板狀結(jié)構(gòu)超出了過(guò)往碳的圓柱梁型體系結(jié)構(gòu)平均強(qiáng)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(shí)，它們還比任何金屬或合金，比如鋼鐵的強(qiáng)度還要高很多，而這些金屬會(huì)是其重量的十倍以上?！?鮑爾解釋?zhuān)骸按送猓技{米板狀晶格結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度（強(qiáng)度-重量比）甚至還要超過(guò)某些類(lèi)型的塊體金剛石，而塊體金剛石是已知的比強(qiáng)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(zhǎng)的“長(zhǎng)城”

2019 年中國(guó)公司制造的 納米 級(jí)遼 寧 艦航母模型（來(lái)自北京魔技納米科技有限公司）

設(shè)計(jì)思路與未來(lái)應(yīng)用

盡管在過(guò)去近 20 年時(shí)間里，基于橫梁結(jié)構(gòu)的晶格一直是超強(qiáng)力學(xué)性能材料的主流，但其低結(jié)構(gòu)效率實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)” 是已經(jīng)被眾多科學(xué)家預(yù)測(cè)的，能達(dá)到多孔材料理論性能極限的幾種設(shè)計(jì)之一。

“不過(guò)此前一直都是理論，而我們的目標(biāo)是實(shí)際制造出一種可以達(dá)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(cè)結(jié)果?！?延斯·鮑爾分析稱(chēng)，之前沒(méi)有被驗(yàn)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)中他們選擇了 “立方體 +八隅體”設(shè)計(jì)，正是因?yàn)樗暮?jiǎn)單性，這讓通過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)你對(duì)其中一根橫梁施加壓力時(shí)，只有特定那根在受力，而另外兩根沒(méi)有承受任何壓力。

但板狀結(jié)構(gòu)不同，想象三個(gè)板塊相交形成一個(gè)角，如果你朝一個(gè)方向推動(dòng)其中一塊，那么另外兩塊板同樣會(huì)分?jǐn)傔@個(gè)載荷。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)采用了雙光子激光直寫(xiě)技術(shù)（或雙光子聚合光固化成形技術(shù)），這通常被人們稱(chēng)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(shù)脂中時(shí)，分子同時(shí)受到兩個(gè)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(jiǎn)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(guó)理工學(xué)院楊廣中教授團(tuán)隊(duì)曾將一段長(zhǎng)城模型打印在正方形硅片上，長(zhǎng)度只有 100 μm 。在當(dāng)時(shí)，中國(guó)國(guó)內(nèi)還沒(méi)有達(dá)到該水平的相應(yīng)技術(shù)。不過(guò)在 2019 年，一家成立于北京的、從事商用納米級(jí)三維制造設(shè)備研發(fā)與生產(chǎn)的民營(yíng)公司展示了擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米級(jí)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(xiàng)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(lèi)頭發(fā)寬度的 1/400。“我們的研究包括概念化、制造，以及機(jī)械穩(wěn)定性的測(cè)量，之后再通過(guò)有限元分析法用計(jì)算機(jī)模擬，并用納米 CT 掃描來(lái)分析觀察到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)?！?他們對(duì) DeepTech 介紹到。

不過(guò)，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(shì)，但并非毫無(wú)缺點(diǎn)。和老照相機(jī)需要洗膠片相似，TPP 的光敏材料也需要進(jìn)行顯影和定影等過(guò)程，從而將要打印的 3D 物體固定下來(lái)，整體的加工過(guò)程相對(duì)繁瑣。

因此，在回答該研究在未來(lái)是否能投入應(yīng)用時(shí)，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(lái)擴(kuò)大生產(chǎn)材料的規(guī)模，例如通過(guò)進(jìn)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種超高強(qiáng)度和極低質(zhì)量密度的特性非常適合用于航空航天、汽車(chē)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(kuò)大不到那個(gè)程度時(shí)，可能更早的機(jī)會(huì)是將該材料應(yīng)用于微型機(jī)電設(shè)備之上，例如智能手機(jī)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(fèi)勒萌）