文/陈根

作为长度单位的纳米是一米的十亿分之一。一个分子和DNA是1纳米,一根头发是75000纳米,注射用的针头就是100万纳米,而一个身高2米的篮球员运动员则能达到20亿纳米。基于在纳米尺度上,材料会呈现出与宏观尺度上完全不同的物理学、化学和生物学特性,纳米材料应运而生。

现在,来自麻省理工学院、加州理工和苏黎世联邦理工学院的科学家们,则利用纳米级碳纤维设计了一款可抵抗超音速微粒“子弹”撞击的材料,而这款比人类头发丝直径还要薄的材料如果在工业上实现大规模生产,它将有望提升轻质装甲、防护涂层、防爆盾牌和其他相关抗冲击装备的总体性能。

其中,纳米纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维比铝轻,比钢强,它的比重是铁的1/4,强度是铁的10倍。除具有极好的强度外,其化学性质还非常稳定,耐腐蚀,高温和低温,耐辐射,除臭。通常,碳纳米纤维的直径通常为60-200nm,长度通常为100lm。

另外,碳纳米纤维的杨氏模量为600GPa,拉伸强度通常在2．5至3．5GPa之间。碳纳米纤维可以与其他聚合物结合形成具有优异性能的纳米级复合材料,碳纳米纤维材料通常被认为是复合材料的基质材料,并且增强了复合材料的整体导电性和机械性能。

此次研究中,研究团队选择在纳米单位上重复打印一种复杂的十四面体结构,在选择了纳米结构后,研究人员使用双光子光刻技术进行打印。其中,双光子光刻技术作为一种领先的激光3D打印技术,可用高功率激光固化光敏树脂的微观结构,从而将打印分辨率提高到难以置信的精度。

打印完成后,研究人员把材料放入高温真空炉中烘烤,将聚合物转化为碳,从而生产出超轻的纳米结构碳材料——十四面体的晶格结构赋予了这种材料特有的灵活性和抗冲击性。这种材料在受到撞击时可以像橡胶一样弯曲。

在进一步测试新型材料在极端变形条件下的弹性中,研究人员进行了激光诱导微粒撞击实验。实验中,微粒子速度的范围从40米/秒到超音速的1100米/秒不等。结果显示,密度越大,碳结构的弹性越强,它们会很好的吸收冲击力,阻止微粒穿透。而且微粒往往会嵌入材料中,而不是直接将它撕裂。

科技革命为人类的生产和生活提供了新工具,纳米材料理想的机械、化学、电学、磁学、热学或光学性能,正使纳米材料在传统和新兴工业制造领域得到广泛应用,这也将进一步推动人们走向全新的科技社会。