科学家发现了一种在纳米尺度上构建碳的新方法,生产出一种强度密度比优于金刚石的材料。
尽管这种微小的碳晶格已经在实验室制造和测试,但离实际应用还有很长的路要走。但是这种新方法可以帮助我们在未来制造更强更轻的材料,这是航空和其他工业非常感兴趣的。
我们在这里讨论的是一种叫做纳米晶格多孔结构的东西,就像上图中的一样,它由三维碳柱和支架组成。由于它们独特的结构,它们非常坚固和轻便。
通常这些纳米晶格是基于一个圆柱框架(它们被称为束纳米晶格)。但是该团队现在已经创建了基于微小板块的板块纳米晶格。
这种微妙的转变听起来可能不太像,但研究人员表示,就力量而言,它可以产生很大的不同。
根据早期的实验和计算,与梁纳米网格法相比,平板法的强度和刚度分别提高了639%和522%。
加州大学欧文分校(UCI)的材料科学家卡梅伦·克鲁克说:“科学家预测,以平板为基础的设计中排列的纳米晶格将会非常坚固。”。
“但以这种方式制造结构的难度意味着,除非我们成功地做到这一点,否则这一理论永远不会得到证明。”
为了最终在实验室测试这些材料,研究人员使用了一种复杂的三维激光印刷工艺,称为双光子聚合直接激光写入,这种工艺本质上是利用激光束内部精心管理的化学反应来蚀刻最小尺寸的形状。
使用对紫外线敏感的液体树脂,这个过程将向树脂发射光子,使其成为特定形状的固体聚合物。然后需要额外的步骤来移除多余的树脂并加热结构以将其固定在适当的位置。
科学家们在这里所做的实际上是接近这种材料的最大理论硬度和强度——即哈辛-斯特里克曼和苏凯上限。
正如扫描电子显微镜所证实的,这些是第一次真正的实验,表明这些理论极限是可以达到的,尽管在我们能够更大规模地制造这种材料之前,我们还有很长的路要走。
事实上,这种材料的部分强度在于它的微小尺寸:当像这样的物体收缩到100纳米以下——比人类头发的厚度小一千倍——它们的毛孔和裂缝变得越来越小,减少了潜在的缺陷。
至于这些纳米晶格最终将如何使用,它们肯定会在空时引起航空航天工程师的兴趣——它们的强度和低密度的结合使它们成为飞机和航天器的理想选择。
来自UCI的机械工程师延斯·鲍尔说:“尽管以前基于光束的设计很有趣,但在机械性能方面却不那么有效。”。
“我们创造的新型板纳米晶格比最好的束纳米晶格更强更硬。”
这项研究发表在《自然通讯》上。
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