科學(xué)家新設(shè)計(jì)出一種比鉆石更堅(jiān)固的碳納米結(jié)構(gòu)

（文章來(lái)源：量子認(rèn)知）

我們?cè)S多人都知道鉆石，它是一種由碳元素組成的礦物。它是自然界中天然存在的最堅(jiān)硬的物質(zhì)。在工業(yè)上它主要用于制造鉆探用的探頭和磨削工具，故又稱為金剛鉆或金剛石。形狀完整的金剛石經(jīng)過打磨，稱為鉆石，可用于制造高檔飾品，價(jià)格非常昂貴。目前世界上最昂貴的高檔鉆石從幾千萬(wàn)到幾億美元，還有兩顆是無(wú)價(jià)之寶。

盡管鉆石具有極其獨(dú)特的魅力，但它僅僅是碳的一種特殊形式，或稱同素異形體。同素異形體，是指由同一種化學(xué)元素組成，而結(jié)構(gòu)形態(tài)卻不相同的單質(zhì)。同素異形體由于結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)上也有差異。碳元素的同素異形體，即由純碳元素所能構(gòu)成的各種不同的分子結(jié)構(gòu)。包括如下圖所示的八種碳的同素異形體：a) 鉆石、b) 石墨、c) 藍(lán)絲黛爾石、d) C60 (富勒烯)、e) C540、f) C70 富勒烯(C70)、g) 無(wú)定形碳、和 h) 單層碳納米管等。

它們都是由碳原子組成的，但是它們之間原子鍵的類型不同，這導(dǎo)致了不同的材料結(jié)構(gòu)和性能。鉆石為什么是目前已知最硬的天然物質(zhì)？是因?yàn)殂@石的碳元素構(gòu)成的晶體的碳原子的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，原子間以共價(jià)鍵結(jié)合，是一種非常穩(wěn)定的結(jié)合方式。

最近，美國(guó)加利福尼亞大學(xué)爾灣分校的科學(xué)家們?cè)诮Y(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一種板狀納米級(jí)碳結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度與密度之比比金剛石還強(qiáng)。他們的研究成果發(fā)表在最近的《自然通訊》上。研究人員成功設(shè)計(jì)和制造了壁厚約160納米的閉孔板狀納米晶格結(jié)構(gòu)材料，該材料由緊密連接的閉孔板代替了過去幾十年來(lái)這種結(jié)構(gòu)中常見的圓柱形桁架組成。研究表明，這種排列達(dá)到了多孔材料強(qiáng)度和剛度的理論極限。

該大學(xué)機(jī)械與航空航天工程研究人員、論文作者延斯·鮑爾（Jens Bauer）說：“以前的基于波束的設(shè)計(jì)雖然引起了人們的極大興趣，但在機(jī)械性能方面并沒有那么有效?！?“我們創(chuàng)造的這種新型的板式納米纖維比最佳的束式納米纖維要強(qiáng)得多、也要更堅(jiān)硬得多?！痹撜撐闹赋?，所設(shè)計(jì)研制的材料已顯示出可將圓柱梁型體系結(jié)構(gòu)的平均性能提高多達(dá)639％的強(qiáng)度和522％的剛性。

該大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)以及機(jī)械與航空航天工程學(xué)教授洛倫佐·瓦爾德維特（Lorenzo Valdevit）建筑材料實(shí)驗(yàn)室的使用爾灣材料研究所提供的掃描電子顯微鏡和其他技術(shù)驗(yàn)證了他們的發(fā)現(xiàn)。論文第一作者、該大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的研究生、卡梅倫·克魯克（Cameron Crook）說：“科學(xué)家們預(yù)測(cè)，以板狀設(shè)計(jì)排列的納米晶格會(huì)非常堅(jiān)固?！?“但是以這種方式制造結(jié)構(gòu)特別地困難，直到我們成功做到這一理論，該理論才被證明?！?/p>

研究人員說，該研究成就的關(guān)鍵取決于復(fù)雜的3D激光打印工藝，稱為雙光子聚合直接激光寫入（two-photon lithography direct laser writing）。當(dāng)激光聚焦在對(duì)紫外線敏感的液態(tài)樹脂的液滴內(nèi)部時(shí)，隨著紫外線敏感樹脂的逐層添加，分子同時(shí)被兩個(gè)光子撞擊，該材料在兩個(gè)光子會(huì)合的位置變成固態(tài)聚合物。通過掃描激光或在三個(gè)維度上移動(dòng)載物臺(tái)，該技術(shù)能夠?qū)υ摷?xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性排列，每個(gè)細(xì)微結(jié)構(gòu)由厚度為160納米的平板組件組成。

該研究的一項(xiàng)創(chuàng)新還包括在板上的小孔，這樣的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，在真空中將其加熱到900攝氏度一小時(shí)。最終結(jié)果是形成了立方形狀的碳結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們認(rèn)為這種多孔材料具有最高的強(qiáng)度。

這項(xiàng)研究的另一個(gè)目標(biāo)和成就是利用基礎(chǔ)物質(zhì)的固有機(jī)械作用。研究人員說：“當(dāng)您使用任何一種材料并將其尺寸顯著減小到100納米時(shí)，它就會(huì)接近理論上沒有孔或裂紋的晶體。減少這些缺陷會(huì)增加系統(tǒng)的整體強(qiáng)度?！?/p>

該大學(xué)設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新研究所所長(zhǎng)、研究主導(dǎo)作者、瓦爾德維特（Valdevit）補(bǔ)充說：“以前沒有人將這些結(jié)構(gòu)與材料聯(lián)系起來(lái)?！?“我們是第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其性能與預(yù)期相符的小組，同時(shí)還展示了具有前所未有的機(jī)械強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料?！边@種碳納米晶體結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)工程師，特別是在航空航天領(lǐng)域，具有廣闊的前景，因?yàn)槿藗兿Ｍ鼈兊膹?qiáng)度和低質(zhì)量密度的結(jié)合將大大提高飛機(jī)和航天器的性能。
（責(zé)任編輯：fqj）