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

●成奇

新型碳納米板狀結(jié)構(gòu)

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)有助于改變長期以來對材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范式的、非常重要的見解，可以幫助人們創(chuàng)造更輕、更強(qiáng)、更好的材料。這是未來技術(shù)發(fā)展所需要的?！?/p>

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(yù)、目前被廣泛研究的分子結(jié)構(gòu)。

鉆石

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)?！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)于過往通常意義上的基于橫梁連接的結(jié)構(gòu)?！滨U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(dá)到了多孔材料強(qiáng)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(jì)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(qiáng)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(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?！滨U爾解釋：“此外，碳納米板狀晶格結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度（強(qiáng)度-重量比）甚至還要超過某些類型的塊體金剛石，而塊體金剛石是已知的比強(qiáng)度最高的塊體材料?！?/p>

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(jí)遼寧艦航母模型（來自北京魔技納米科技有限公司）

設(shè)計(jì)思路與未來應(yīng)用

盡管在過去近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)測結(jié)果?！毖铀埂U爾分析稱，之前沒有被驗(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暮唵涡?，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(gè)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)你對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(shí)，研究團(tuán)隊(duì)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(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(tuán)隊(duì)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(dāng)時(shí)，中國國內(nèi)還沒有達(dá)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(jí)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(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)于人類頭發(fā)寬度的1/400?！拔覀兊难芯堪ǜ拍罨?、制造，以及機(jī)械穩(wěn)定性的測量，之后再通過有限元分析法用計(jì)算機(jī)模擬，并用納米CT 掃描來分析觀察到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)?！彼麄儗eepTech 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(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(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擴(kuò)大生產(chǎn)材料的規(guī)模，例如通過進(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?！滨U爾認(rèn)為，長遠(yuǎn)來看，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。