一种超强且轻质的新材料

晓说

本文说的这种材料可以被用来生产更轻更坚固的飞机机身和电池组的[color=rgb(68, 68, 68) !important]纳米结构陶瓷。

                           
图为这种新材料的扫描[color=rgb(68, 68, 68) !important]电镜图像，揭示了材料内部的陶瓷纳米点阵。
这是一种全新类型的材料，内部是由一系列纳米级别的支杆组成，这些支杆就像埃菲尔铁塔内部的支撑结构那样纵横交错。这种材料是历史上最强和最轻的材料之一。


如果研究者能够找到大量生产这种材料的方法，这种材料就可以作为一种结构材料而广泛应用在飞机、卡车和电池电极的生产领域中。


加利福尼亚理工学院的科学家Julia Greer领导的研究者们发现，通过对纳米结构支杆和关节的精心设计，使陶瓷、金属和其他一些材料在遭受破坏之后可以像海绵一样自动恢复。这些材料非常强而且非常轻，可以像羽毛一样漂浮在空气中。这些研究工作已经发表在《science》杂志上。


对于传统的材料，强度、重量和密度是紧密相关的性质。例如陶瓷材料具有非常好的强度的同时也具有相当大的密度，因此不能作为结构材料应用于某些对质量要求很高的地方，比如说汽车的车体。一旦陶瓷材料失效被破坏，其倾向于像玻璃破碎那样粉碎。


但是在纳米级材料中，情况就变得不一样了。在相同的范围内，纳米陶瓷的结构和力学性质与重量的联系变得不再紧密，并且，这些性质能够精确地改变。


科学家Greer说，“对于陶瓷材料来说，越小的体积具有越强的硬度。”因此，由纳米陶瓷组成的材料不仅像空气那样轻的，而且也具有优良的强度。


2011年，Greer与HRL实验室的研究者的合作下，合成了一种微格空心金属管，这是有史以来最轻质的材料。Greer试图合成具有类似性质的陶瓷材料，这需要纳米级别的结构微调，意味着合成这种材料的巨大难度。


为了合成这种纳米框架陶瓷材料，Greer的实验室使用一种双光子干涉光刻技术，这种技术类似于一种低产量的3D打印机的技术。


首先，他们用这种方法来合成目标晶格。在聚合物晶格上涂上陶瓷，比如说氧化铝。接着用氧等离子物把聚合物腐蚀消耗掉，只剩下陶瓷空格。


Greer的实验室表明，通过改变管的壁厚可以控制材料的失效过程。当管壁很厚时，陶瓷的破裂过程符合预期。但是框架璧很薄，只有10纳米的厚度，压缩力消失时会恢复原状。


加尼福利亚Lawrence Livermore国家实验室的工程师Christopher Spadaccini说道，“你们要期待材料骨折和断裂，而不是期待材料能自动恢复。”



MIT的工程师Nicholas Fang提到，这种新材料在电池中会有很大的用处。纳米结构具有表面积非常大、质量比较轻等特点，这些材料的组合可以用来制造大容量电池，这种电池便于携带并且具有充电迅速的优点。实际上，Greer说她已经和德国的Bosch电子公司达成合作，计划将她的这种设计应用到锂-空气电池中。