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據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)近日報道，天然藻類等有機(jī)物的輕量骨架的堅韌度完勝由同樣材料制成的產(chǎn)品?？茖W(xué)家們一直懷疑，這種差異同生物材料的層次式體系結(jié)構(gòu)有關(guān)——以二氧化硅為基礎(chǔ)的生物骨架由不同的結(jié)構(gòu)元件構(gòu)成，其中有些元件僅為幾納米。現(xiàn)在，美國科學(xué)家通過制造出納米中空陶瓷框架模擬了這一結(jié)構(gòu)，并且發(fā)現(xiàn)，盡管這種微型晶胞超過85%是空氣，但其的確擁有令人驚嘆的堅韌度。研究發(fā)表在最新一期的《納米·材料》雜志網(wǎng)站上。該研究的領(lǐng)導(dǎo)者、加州理工學(xué)院材料科學(xué)和力學(xué)教授朱利安·歌瑞爾表示：“最新研究有助于科學(xué)家們用納米材料制造出堅硬又輕量的‘超材料’。”
歌瑞爾的團(tuán)隊已經(jīng)證明，固體在納米尺度下與其在更大尺度下會表現(xiàn)出非常不同的屬性。例如，在納米尺度下，有些金屬的強(qiáng)度會增加50%；有些非晶體材料也會變得更柔韌而非更易碎。歌瑞爾說：“我們正在深入研究這樣的尺寸效應(yīng)并用它們來制造真實的三維結(jié)構(gòu)。”
他們首先通過數(shù)字化方法設(shè)計出了一種具有不斷重復(fù)的八面體晶胞的晶格結(jié)構(gòu)，其同硅藻內(nèi)的周期性晶格結(jié)構(gòu)類似，接下來再使用雙光子光刻技術(shù)將這一結(jié)構(gòu)變成了三維聚合物晶格，然后再將陶瓷材料氮化鈦(TiN)涂在這一晶格表面并將聚合物內(nèi)核移除，得到的陶瓷納米晶格由中空的支桿與不超過75納米厚的內(nèi)壁建構(gòu)而成。
隨后，他們對這種陶瓷晶格的單個八面體晶胞進(jìn)行了應(yīng)壓測試，結(jié)果表明其具有非凡的抗張強(qiáng)度，在連續(xù)不斷的壓力下，也不會破碎；而更大塊的氮化鈦在更小的壓力下反倒會破碎。歌瑞爾解釋說：“陶瓷容易破碎是因為其存在瑕疵（洞和空白等不完美之處）。納米結(jié)構(gòu)擁有的堅硬和耐壓能力源于一個事實：當(dāng)物體變得足夠小時，其瑕疵也變得非常小，在其內(nèi)部發(fā)現(xiàn)脆弱易碎瑕疵的可能性極低。因此，盡管結(jié)構(gòu)力學(xué)表明，由氮化鈦制成的多孔結(jié)構(gòu)可能會變得很脆弱——因為其內(nèi)壁纖薄，但我們能通過減少該材料的厚度或大小并調(diào)諧其微結(jié)構(gòu)或原子配置來打破這一法則。”
在即將發(fā)表于《先進(jìn)工程材料》雜志的論文中，歌瑞爾團(tuán)隊用金代替陶瓷制造出了同樣的納米晶格。目前，他們使用新方法制造出的最大結(jié)構(gòu)是1毫米長的管子，對其進(jìn)行的應(yīng)壓試驗表明，整個結(jié)構(gòu)非常堅硬。
歌瑞爾說，最新研究能從根本上改變?nèi)藗冎圃觳牧系姆绞?。她說:“使用這一方法，我們可以進(jìn)行反向設(shè)計。比如，我們先假定需要的材料具有某方面的特性（比如強(qiáng)度或?qū)崮芰Φ龋?，再用最?yōu)的材料設(shè)計出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)并最終得到我們想要的材料。這種通用的建構(gòu)技術(shù)可用來制造輕便且柔韌的小尺度元件，諸如電池、接口、催化劑和可植入的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。”
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