科學家創造出比鑽石更強硬的超輕奈米結構

科學家們發現了一種在奈米尺度上構造碳的新方法,他們創造出了一種材料在強度密度比方面優於鑽石。雖然這微小的碳晶格已在實驗室中被製造和測試,但距離實際使用還有很長的路要走。 不過,這種新方法可以幫助我們將來製造更堅固,更輕的材料,對航空航天等產業會非常有幫助。

這是所謂的奈米晶格(nanolattice),如上圖所示的多孔結構,它是由三維碳的撐桿和支架所組成。 由於它獨特的結構,因此非常堅固且輕巧。通常,這些奈米晶格會有圓柱框架,它們稱為橫梁奈米晶格(beam-nanolattice)。 不過,該團隊現在創造出了薄板奈米晶格(plate-nanolattice),由小薄板所組成。

這細微的變化聽起來可能並不大,但是研究人員表示,在強度方面,它可以產生很大的變化。根據早期的實驗和計算,薄板的方法比橫梁奈米晶格的方法強度提高了639%,硬度提高了522%。

加州大學爾灣分校的材料科學家Cameron Crook表示:「科學家們預測,以板狀設計排列的奈米晶格會非常堅固。但是以這種困難的方式製造結構表示,這理論無法被證明,直到我們成功實現這理論為止。」

為了在實驗室中測試這些材料,研究人員使用了一種複雜的3D雷射列印技術,稱為雙光子聚合雷射直寫技術( two-photon polymerisation direct laser writing),這實際上是在雷射光裡使用精心管理的化學反應來刻出最小尺寸的形狀。使用對紫外線敏感的液體樹脂,該過程向樹脂發射光子,將它轉變為特定形狀的固體聚合物。 然後需要額外的步驟,去除多餘的樹脂並加熱該結構以將它固定在適當的位置。

實際上,科學家在這裡所做的非常接近這種材料理論上最大的硬度和強度,這種極限稱為Hashin-Shtrikman和Suquet上限。正如掃瞄式電子顯微鏡所證實,這是第一個實際的實驗,展現出可以達到那些理論上的極限,儘管離大規模製造這種材料還有很長的路要走。

實際上,這種材料強度的一部分在於它的小尺寸,當類似物體的尺寸縮小到100奈米以下(比人的頭髮厚度小一千倍)時,它們中的毛孔和裂紋會變得越來越小,從而減少了潛在的缺陷。至於這些奈米晶格最終將會如何使用,它們一定會引起航空航天工程師的興趣,強度和低密度的結合使它成為飛機和航天器的理想選擇。

加州大學爾灣分校的機械工程師Jens Bauer表示:「以前基於橫梁的設計雖然引起了極大的興趣,但在機械性能方面並不是那麼有效。我們創造這種新型的薄板奈米晶格比最好的橫梁奈米晶格要強得多,也更堅硬。」

參考資料: Nature Communications

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