據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，天然藻類等有機物的輕量骨架的堅韌度完勝由同樣材料制成的產品。科學家們一直懷疑，這種差異同生物材料的層次式體系結構有關——以二氧化硅為基礎的生物骨架由不同的結構元件構成，其中有些元件僅為幾納米。現(xiàn)在，美國科學家通過制造出納米中空陶瓷框架模擬了這一結構，并且發(fā)現(xiàn)，盡管這種微型晶胞超過85%是空氣，但其的確擁有令人驚嘆的堅韌度。研究發(fā)表在最新一期的《納米·材料》雜志網(wǎng)站上。

       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——因為其內壁纖薄，但我們能通過減少該材料的厚度或大小并調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人們制造材料的方式。她說:“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。”