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》（Nature Communications）雜志上。延斯·鮑爾（Jens Karl-Heinz Bauer）和卡梅倫·克魯克（Cameron Crook）作為這項(xiàng)研究的主要負(fù)責(zé)人，對(duì) DeepTech 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?！?/span>圖｜新型碳納米板狀結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Cameron Crook & Jens Bauer/UCI）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(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)。” 鮑爾非常自信地對(duì) DeepTech 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％。“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，” 鮑爾解釋，“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(guò)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?！?/strong>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，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 + 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)有三分之一的材料在工作；而在基于板的結(jié)構(gòu)中，三分之二的材料在工作。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(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)。圖｜2015 年光子 3D 打印制備的 100 微米長(zhǎng)的 “長(zhǎng)城”（來(lái)源：Wiki）
本站僅提供存儲(chǔ)服務(wù)，所有內(nèi)容均由用戶發(fā)布，如發(fā)現(xiàn)有害或侵權(quán)內(nèi)容，請(qǐng)
點(diǎn)擊舉報(bào)。
