該研究的領導者、加州理工學院材料科學和力學教授朱利安·歌瑞爾表示：“最新研究有助于科學家們用納米材料制造出堅硬又輕量的‘超材料’。”
歌瑞爾的團隊已經(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并用它們來制造真實的三維結構。”
他們首先通過數(shù)字化方法設計出了一種具有不斷重復的八面體晶胞的晶格結構，其同硅藻內(nèi)的周期性晶格結構類似，接下來再使用雙光子光刻技術將這一結構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)壁建構而成。
隨后，他們對這種陶瓷晶格的單個八面體晶胞進行了應壓測試，結果表明其具有非凡的抗張強度，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）。納米結構擁有的堅硬和耐壓能力源于一個事實：當物體變得足夠小時，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，盡管結構力學表明，由氮化鈦制成的多孔結構可能會變得很脆弱——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)諧其微結構或原子配置來打破這一法則。”
在即將發(fā)表于《先進工程材料》雜志的論文中，歌瑞爾團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構是1毫米長的管子，對其進行的應壓試驗表明，整個結構非常堅硬。
歌瑞爾說，最新研究能從根本上改變?nèi)藗冎圃觳牧系姆绞健Ｋf:“使用這一方法，我們可以進行反向設計。比如，我們先假定需要的材料具有某方面的特性（比如強度或導熱能力等），再用最優(yōu)的材料設計出最優(yōu)的結構并最終得到我們想要的材料。這種通用的建構技術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)學設備等。”（來源：科技日報 劉霞）
