科學家設計出比鑽石更強的超輕碳納米結構

2023-04-01 05:08:14

科學家發現了一種在納米尺度上構建碳的新方法，生產出一種強度密度比優於金剛石的材料。

儘管這種微小的碳晶格已經在實驗室製造和測試，但離實際應用還有很長的路要走。但是這種新方法可以幫助我們在未來製造更強更輕的材料，這是航空和其他工業非常感興趣的。

我們在這裡討論的是一種叫做納米晶格多孔結構的東西，就像上圖中的一樣，它由三維碳柱和支架組成。由於它們獨特的結構，它們非常堅固和輕便。

通常這些納米晶格是基於一個圓柱框架(它們被稱為束納米晶格)。但是該團隊現在已經創建了基於微小板塊的板塊納米晶格。

這種微妙的轉變聽起來可能不太像，但研究人員表示，就力量而言，它可以產生很大的不同。

根據早期的實驗和計算，與梁納米網格法相比，平板法的強度和剛度分別提高了639%和522%。

加州大學歐文分校(UCI)的材料科學家卡梅倫·克魯克說:「科學家預測，以平板為基礎的設計中排列的納米晶格將會非常堅固。」。

「但以這種方式製造結構的難度意味著，除非我們成功地做到這一點，否則這一理論永遠不會得到證明。」

為了最終在實驗室測試這些材料，研究人員使用了一種複雜的三維雷射印刷工藝，稱為雙光子聚合直接雷射寫入，這種工藝本質上是利用雷射束內部精心管理的化學反應來蝕刻最小尺寸的形狀。

使用對紫外線敏感的液體樹脂，這個過程將向樹脂發射光子，使其成為特定形狀的固體聚合物。然後需要額外的步驟來移除多餘的樹脂並加熱結構以將其固定在適當的位置。

科學家們在這裡所做的實際上是接近這種材料的最大理論硬度和強度——即哈辛-斯特裡克曼和蘇凱上限。

正如掃描電子顯微鏡所證實的，這些是第一次真正的實驗，表明這些理論極限是可以達到的，儘管在我們能夠更大規模地製造這種材料之前，我們還有很長的路要走。

事實上，這種材料的部分強度在於它的微小尺寸:當像這樣的物體收縮到100納米以下——比人類頭髮的厚度小一千倍——它們的毛孔和裂縫變得越來越小，減少了潛在的缺陷。

至於這些納米晶格最終將如何使用，它們肯定會在空時引起航空航天工程師的興趣——它們的強度和低密度的結合使它們成為飛機和太空飛行器的理想選擇。

來自UCI的機械工程師延斯·鮑爾說:「儘管以前基於光束的設計很有趣，但在機械性能方面卻不那麼有效。」。

「我們創造的新型板納米晶格比最好的束納米晶格更強更硬。」

這項研究發表在《自然通訊》上。