加州大學(xué)歐文分校和其他機構(gòu)的研究人員在建筑上設(shè)計了板納米晶格——納米尺寸的碳結(jié)構(gòu)——在強度與密度的比率方面比鉆石更堅固。在Nature Communications最近的一項研究中，科學(xué)家們報告說，這種材料在概念化和制造方面取得了成功，該材料由緊密相連的閉孔板組成，而不是過去幾十年此類結(jié)構(gòu)中常見的圓柱形桁架。

“以前基于梁的設(shè)計雖然引起了極大的興趣，但在機械性能方面并沒有那么有效，”通訊作者、UCI 機械和航空航天工程研究員 Jens Bauer 說。“我們創(chuàng)造的這種新型板納米晶格比最好的梁納米晶格要堅固得多。”

根據(jù)該論文，該團隊的設(shè)計已被證明可以將基于圓柱梁的架構(gòu)的平均性能提高多達(dá) 639% 的強度和 522% 的剛度。

洛倫佐·瓦爾德維特建筑材料實驗室的成員，UCI 材料科學(xué)與工程以及機械與航空航天工程教授，使用掃描電子顯微鏡和歐文材料研究所提供的其他技術(shù)驗證了他們的發(fā)現(xiàn)。

“科學(xué)家們預(yù)測，排列在基于板的設(shè)計中的納米晶格會非常堅固，”主要作者、UCI 材料科學(xué)與工程研究生 Cameron Crook 說。“但以這種方式制造結(jié)構(gòu)的困難意味著該理論從未得到證實，直到我們成功地做到了。”

Bauer 表示，該團隊的成就依賴于一種稱為雙光子光刻直接激光寫入的復(fù)雜 3D 激光打印工藝。隨著紫外線光敏樹脂逐層添加，材料在兩個光子相遇的點變成固體聚合物。該技術(shù)能夠使重復(fù)細(xì)胞變成板，面薄至 160 納米。

Bauer 表示，該團隊的成就依賴于一種稱為雙光子聚合直接激光寫入的復(fù)雜 3D 激光打印工藝。當(dāng)激光聚焦在對紫外光敏感的液態(tài)樹脂液滴內(nèi)時，這種材料會變成固體聚合物，分子同時被兩個光子擊中。通過掃描激光或在三個維度上移動平臺，該技術(shù)能夠呈現(xiàn)細(xì)胞的周期性排列，每個細(xì)胞由薄至 160 納米的板組件組成。

該小組的一項創(chuàng)新是在板中加入小孔，可用于從成品材料中去除多余的樹脂。作為最后一步，晶格經(jīng)過熱解，在真空中將它們加熱到 900 攝氏度一小時。根據(jù)鮑爾的說法，最終的結(jié)果是玻璃碳的立方體晶格，其強度最高，科學(xué)家們認(rèn)為這種多孔材料是可能的。

鮑爾說，這項研究的另一個目標(biāo)和成就是利用基礎(chǔ)物質(zhì)的先天機械效應(yīng)。“當(dāng)你采用任何材料并將其尺寸顯著減小到 100 納米時，它會接近沒有孔隙或裂縫的理論晶體。減少這些缺陷會增加系統(tǒng)的整體強度，”他說。

“以前沒有人讓這些結(jié)構(gòu)獨立于規(guī)模，”負(fù)責(zé) UCI 設(shè)計與制造創(chuàng)新研究所的 Valdevit 補充道。“我們是第一個通過實驗驗證它們可以像預(yù)測的一樣表現(xiàn)的團隊，同時還展示了一種具有前所未有的機械強度的建筑材料。”

納米晶格對結(jié)構(gòu)工程師，特別是在航空航天領(lǐng)域具有很大的希望，因為人們希望它們的強度和低質(zhì)量密度的結(jié)合將大大提高飛機和航天器的性能。

該研究的其他合著者是 UCI 機械與航空航天工程研究生 Anna Guell Izard，以及來自加州大學(xué)圣巴巴拉分校和德國馬丁路德哈雷-維滕貝格大學(xué)的研究人員。該項目由海軍研究辦公室和德國研究基金會資助。

標(biāo)簽： 碳納米結(jié)構(gòu)