新「超材料」比塑料轻薄比钢铁强十倍

智造界ID:zhizaojie2025

美国麻省理工学院研究人员研发了一种超材料，比最薄的塑料还要轻薄，却是钢铁坚固度的10倍。 （MELANIE GONICK / MIT）

一种新的超材料令人难以置信的轻薄，比最薄的塑料还要轻薄，却是钢铁坚固度的10倍。 这种新材料从其独特的几何构造获得如此惊人的力量。

研究人员说，这种新材料是将石墨烯压扁并融合在一起，成为一个巨大的、蛛网一般轻盈的网状结构。 蓬松的结构几乎完全中空，看起来有点像一个迷幻的海洋生物，其密度仅为普通石墨烯的5％。

虽然研究人员使用的原料为石墨烯，但超材料看似神奇的性质并不完全取决于所使用的原子，秘密来自这些原子排列的方式。

麻省理工学院（MIT）材料科学家比埃勒（Markus J. Buehler）说：「你可以用任何材料去替换，几何结构才是主导因素，这种能力可以应用到许多材料上。」

由碳原子构成的片状材料石墨烯是地球上最坚固的物质，但是限于二维片材。 仅仅是原子厚度的超薄石墨烯片材具有独特的电性能和极高的强度。 但是，这些属性很难转换到用于构建物体的三维形状。

先前研究表明，以特定的方式排列石墨烯原子可以增强三维形态的强度。 然而，当研究人员在实验室中制造这些材料时，结果通常比理论预期弱上几百或几千倍。

为了克服这一困难，研究人员从原子层面分析结构，并创建了数学模型，预测如何创建非常强的超材料。 然后，研究人员使用精确定量的热量和压力制造出被称为螺旋二十四面体（Gyroids）的错综复杂的结构。 美国宇航局的科学家首次在1970年用数学方式描述了这种奈米微结构螺旋二十四面体。

这种超材料的高强度来自其巨大的表面积与体积之比，在自然界中，珊瑚和矽藻等海洋生物也利用大的表面积与体积比，在微小尺度上获得令人难以置信的高强度。

比埃勒说：「使用传统的制造方法制造它们几乎是不可能的。」 研究人员说，制造这些超强材料的一个障碍是缺乏工业制造能力。 不过有许多方法可以更大规模地生产这些超强材料。 比如通过化学气相沉积方法在基底上涂覆石墨烯，再用化学或物理技术剥离掉基底，生成石墨烯螺旋结构。

在未来，可以由螺旋结构混凝土制成大型超强、超轻的桥梁，并且因为材料的中空性质会绝热绝冷。