新兴技术：超牢固轻质新材料问世 凯瑟琳·布尔扎克（Katherine Bourzac） 发表于 2014-09-29 00:51
飞机、汽车和电池的能效在很大程度上都取决于其制造材料的重量。纳米结构的陶瓷可以用来建造更轻更牢固的飞机与电池。
微型构架：这张电子显微镜扫描像展现了其陶瓷纳米格架。 这种由像微型埃菲尔铁塔的支杆一样纵横交错的纳米级支杆组成的新型材料，是有史以来最牢固最轻质的物质之一。 如果研究人员能够想出如何大批量生产这一物质，就可以将它做为制造飞机、卡车和电池电极的结构材料。 由加州理工学院材料科学家茱莉亚·格里尔（Julia Greer）带领的研究人员发现，通过用心设计纳米级支杆和连接点，他们可以制造出像海绵那样被挤压后能恢复原状的陶瓷、金属等材料。这些材料非常牢固，而且非常轻，能像羽毛一样浮在空中。这一研究成果于今日刊登在科学杂志上。 传统材料的强度、重量和密度是相互关联的。例如陶瓷牢固但很沉，因此不能用作重量是关键因素的结构材料（例如汽车车体）。而且当陶瓷老化时，往往都是灾难性地老化，会像玻璃一样碎裂。 但是在纳米级大小时，这些规律就不适用了。在这个尺寸范围，陶瓷的结构属性和机械属性受重量等属性的约束变少，也能被更精确地更改。 “陶瓷越小越牢固，”格里尔表示。格里尔因其在纳米级力学上的成就而被提名为《麻省理工科技评论》35岁以下年龄段的35名创新者（2008年）。这意味着，用陶瓷材料制成的纳米级构架重量既轻（这并不出人意料，因为它们主要是空气），又极其牢固。 2011年，格里尔与民营工程研究公司HRL实验室的研究人员合作，造出了一种有史以来最轻的材料——空心金属管构成的微型格架。之后格里尔选择接受了用相同属性来制造陶瓷这一更大的挑战。这需要纳米级的微调结构，意味着材料制造难度更高。 为了制出陶瓷纳米构架，格里尔的实验室使用了一种名为双光子干涉光刻的技术，类似于成品率非常低的3D激光打印机。 首先，他们以这种方法用聚合物创制理想的格架结构。然后在聚合物格架外包覆一层陶瓷，比如氧化铝。氧等离子体蚀刻聚合物，留下空心的陶瓷管格架。 格里尔的实验室通过改变管壁的厚度表明，人们有可能控制材料的老化方式。在壁较厚时，陶瓷会在压力下如预期般碎裂。但管壁较薄（仅有10纳米厚）的框架在压紧时变形然后又恢复原状了。 “你没想到这些材料会复原，你想的是它们会断裂会碎掉，”克里斯托弗·斯巴达斯尼（Christopher Spadaccini）如是说道，斯巴达斯尼是一位来自位于加利福尼亚州的美国能源部劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的工程师，专攻材料制造。 同样致力于纳米结构陶瓷的麻省理工学院机械工程师方旋来（Nicholas Fang）指出，这些新材料用在电池中时可能尤为令人关注。纳米结构的表面面积非常大，重量又轻，这一结合有利于那种在便捷包装内存储大量能源的快速充电电池。事实上，格里尔表示，她正与德国电子设备公司博世携手，将她的设计应用到锂离子电池中。 |
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