铁碳合金和晶体结构图解，比强度超过钻石

铁碳合金和晶体结构图解，比强度超过钻石“我们的研究是历史上的第一个实验证据，验证了板架结构要优于过往通常意义上的基于横梁连接的结构。” 鲍尔非常自信地对 DeepTech 说道。通过他们的研究表明，这种板状结构的排列方式，让其制备出的样品近乎达到了多孔材料强度和刚度的理论极限。而这一次，鲍尔和克鲁克所在的研究团队成功设计并制造出了壁厚约 160 nm 的闭孔板状纳米晶格结构材料。这种碳纳米材料与过往几十年来，人们所常见的圆柱形桁架组成的碳结构不同，研究人员用紧密连接的闭孔板 “颠覆” 了常规。图｜新型碳纳米板状结构（来源：Cameron Crook & Jens Bauer/UCI）碳，可谓是地球上最引人瞩目的元素之一，其有着不同结构的同素异形体，并存在于我们生活中近乎九成以上的已知物质中。碳的同素异形体在物理与化学特性上各具差异。除了人们生活中所熟知的钻石、石墨和金刚石，还有在科学界鼎鼎有名的 C-60（富勒烯）、碳纳米管和

钻石，以其璀璨耀眼的光芒、坚硬持久的特性在情侣之间有着极为特别的含义。而作为钻石的原石，同为固体碳材料的金刚石是自然界中最坚硬的物质，在人们的生产生活之中也发挥着极为重要的作用。

金刚石之所以会被打磨成钻石，最重要的原因在于它的硬度。它不会被其他任何东西刮花，可以始终保持自身光泽。此外，它有着良好的色散特性，能将白光分散为向外扩散的彩虹光芒，增添了其自身魅力。

而近日，美国加利福尼大学尔湾分校与其他机构的研究人员一起，从材料的微结构角度设计出一种碳的板状纳米结构，该结构的比强度（强度-重量比）甚至要超过钻石。这项研究发表在了《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

延斯·鲍尔（Jens Karl-Heinz Bauer）和卡梅伦·克鲁克（Cameron Crook）作为这项研究的主要负责人，对 DeepTech 表示：“这将是一个有助于改变长期以来对材料结构设计范式的、非常重要的见解，可以帮助人们创造更轻、更强、更好的材料。这是未来技术发展所需要的。”

图｜新型碳纳米板状结构（来源：Cameron Crook & Jens Bauer/UCI）

突破几十年的常见形态

碳，可谓是地球上最引人瞩目的元素之一，其有着不同结构的同素异形体，并存在于我们生活中近乎九成以上的已知物质中。

碳的同素异形体在物理与化学特性上各具差异。除了人们生活中所熟知的钻石、石墨和金刚石，还有在科学界鼎鼎有名的 C-60（富勒烯）、碳纳米管和石墨烯等众多取得过诸多荣誉、目前被广泛研究的分子结构。

而这一次，鲍尔和克鲁克所在的研究团队成功设计并制造出了壁厚约 160 nm 的闭孔板状纳米晶格结构材料。这种碳纳米材料与过往几十年来，人们所常见的圆柱形桁架组成的碳结构不同，研究人员用紧密连接的闭孔板 “颠覆” 了常规。

“我们的研究是历史上的第一个实验证据，验证了板架结构要优于过往通常意义上的基于横梁连接的结构。” 鲍尔非常自信地对 DeepTech 说道。通过他们的研究表明，这种板状结构的排列方式，让其制备出的样品近乎达到了多孔材料强度和刚度的理论极限。

他们在论文中提到了具体数值：其设计的碳纳米板状结构超出了过往碳的圆柱梁型体系结构平均强度性能的 639％，刚性水平也提高了 522％。

“我们的碳纳米板材料其中有着 40%~80% 的空隙，这使得它们像聚合物泡沫一样轻。但同时，它们还比任何金属或合金，比如钢铁的强度还要高很多，而这些金属会是其重量的十倍以上，” 鲍尔解释，“此外，碳纳米板状晶格结构的比强度（强度-重量比）甚至还要超过某些类型的块体金刚石，而块体金刚石是已知的比强度最高的块体材料。”

图｜钻石（来源：pixabay）

设计思路与未来应用

尽管在过去近 20 年时间里，基于横梁结构的晶格一直是超强力学性能材料的主流，但其低结构效率实际上将材料的性能限制在了一定的弹性模量范围之内。而 “立方 拓扑结构” 是已经被众多科学家预测的，能达到多孔材料理论性能极限的几种设计之一。

“不过此前一直都是理论，而我们的目标是实际制造出一种可以达到性能极限的材料，并最终证明那些可以追溯到十多年前的理论预测结果。” 延斯·鲍尔分析称，之前没有被验证的主要原因在于制造工艺上始终面临着重大挑战，所以在这项实验中他们选择了 “立方 八隅体” 设计，正是因为它的简单性，这让通过双光子光刻和热解的方法合成该结构变得最为直接。

那么，横梁与板状结构为何有如此大的区别呢？横梁结构可以想象有三束光垂直相交形成一个节点，当你对其中一根横梁施加压力时，只有特定那根在受力，而另外两根没有承受任何压力。

但板状结构不同，想象三个板块相交形成一个角，如果你朝一个方向推动其中一块，那么另外两块板同样会分摊这个载荷。简单来说，横梁结构有三分之一的材料在工作；而在基于板的结构中，三分之二的材料在工作。

在制备板状结构时，研究团队采用了双光子激光直写技术（或双光子聚合光固化成形技术），这通常被人们称为 “双光子 3D 打印”（Two-photonpolymerization TPP）。其原理是当激光聚焦在一滴紫外线感光的液体树脂中时，分子同时受到两个光子的撞击，从而让材料变成了一种固体聚合物。它可以非常简单方便地加工出具有周期性排列顺序的微纳结构。

早在 2015 年 10 月，帝国理工学院杨广中教授团队曾将一段长城模型打印在正方形硅片上，长度只有 100 μm 。在当时，中国国内还没有达到该水平的相应技术。不过在 2019 年，一家成立于北京的、从事商用纳米级三维制造设备研发与生产的民营公司展示了拥有独立知识产权的纳米级三维光刻制造系统技术。

图｜2015 年光子 3D 打印制备的 100 微米长的 “长城”（来源：Wiki）

图｜2019 年中国公司制造的纳米级辽宁舰航母模型（来源：北京魔技纳米科技有限公司）

而如今，鲍尔和克鲁克等人的这项研究所制备的纳米板状结构材料大约有 160 nm 厚，相当于人类头发宽度的 1/400。“我们的研究包括概念化、制造，以及机械稳定性的测量，之后再通过有限元分析法用计算机模拟，并用纳米 CT 扫描来分析观察到的各项数据。” 他们对 DeepTech 介绍到。

不过，即便 “双光子 3D 打印” 在微结构的加工上具有极大的优势，但并非毫无缺点。和老照相机需要洗胶片相似，TPP 的光敏材料也需要进行显影和定影等过程，从而将要打印的 3D 物体固定下来，整体的加工过程相对繁琐。

因此，在回答该研究在未来是否能投入应用时，鲍尔向 DeepTech 表示：“到目前为止，我们还只能小规模生产出这种材料。下一阶段的研究就是要找到方法来扩大生产材料的规模，例如通过进一步发展增材制造工艺等手段。”

“这种结构材料的应用范围是十分广泛的。” 鲍尔认为，长远来看，这种超高强度和极低质量密度的特性非常适合用于航空航天、汽车等领域的结构材料选择上。当然，在生产规模还扩大不到那个程度时，可能更早的机会是将该材料应用于微型机电设备之上，例如智能手机的传感器、小型生物医疗设备或微型卫星上等等。