微米和纳米科技材料

超级纳米材料问世!它可以抵抗超音速粒子的冲击,也可以为防爆材料开辟一个新的市场

撰文:刘芳 编审:寇建超

你是否幻想过有一天自己能像钢铁侠一样无坚不摧?恭喜你,这个梦想可能很快就要实现了。

日前,来自麻省理工学院、加州理工和苏黎世联邦理工学院的科学家们,联合研发了一款可抵抗超音速微粒 “子弹” 撞击的神奇材料。这款比人类头发丝直径还要薄的材料由纳米级碳纤维精心设计而成,如果在工业上实现大规模生产,它将有望提升轻质装甲、防护涂层、防爆盾牌和其他相关抗冲击装备的总体性能。

相关论文以 “Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon” 为题,于6 月 24 日发表在权威科学期刊 Nature Materials 上。

(来源:Nature Materials

以往人类使用的抗冲击防爆材料主要由钢、铁和铝等金属构成,这就是为什么钢铁侠会穿上一身铠甲来保护他的血肉之躯。但钢铁等金属有一个显著的缺陷,那就是 “特别沉”。

图|钢铁侠

因此,如何找到一种更轻便的抗撞击材料便成为了很多科学家一直以来的研究方向。继美国杜邦(DuPont)公司研制的凯夫拉(Kevlar)纤维之后,这款纳米材料有望开启防爆材料的新市场。

激光打印加烘烤

为了达到理想中的效果,研究团队选择在纳米单位上重复打印一种复杂的十四面体结构。复杂的十四面体(大约有 15 亿种可能的变化)结构是开尔文勋爵(Lord Kelvin)在 19 世纪提出的,理论上它是用自身的复制品填充空间的最有效的方法之一。

该研究论文的第一作者、通讯作者之一、麻省理工学院机械工程助理教授 Carlos Portela 表示:“这种结构通常出现在减震泡沫中。” Portela 和他的同事们想知道,如果许多这样的多面体可以被塞进一个小空间并相互连接,它们是否会成为一种有效的减震器。

图|纳米结构碳材料(来源:MIT News)

在选择了纳米结构后,研究人员使用双光子光刻技术(two-photon lithography)进行打印。简单来说,双光子光刻是一种领先的激光 3D 打印技术。普通的 3D 激光打印技术的分辨率受打印机激光点大小的限制,而双光子光刻技术可用高功率激光固化光敏树脂(photosensitive resin)的微观结构,从而将打印分辨率提高到难以置信的精度。

打印完成后,研究人员把材料放入高温真空炉中烘烤,将聚合物转化为碳,从而生产出超轻的纳米结构碳材料。据论文描述,碳材料通常是易碎的,但是十四面体的晶格结构赋予了这种材料特有的灵活性和抗冲击性。这种材料在受到撞击时可以像橡胶一样弯曲。

对此,加州理工大学材料科学、力学和医学工程教授 Julia R.Greer 表示:“从这项实验中获得的数据可以为超轻型抗冲击材料、高效装甲材料、防护涂层和防爆盾牌提供灵感。”

抵抗比音速还快的微粒 “子弹”

为了测试新型材料在极端变形条件下的弹性,麻省理工学院的研究人员进行了激光诱导微粒撞击实验。首先,他们用超快激光对准了涂有铂金层的玻片,在金薄膜外还覆盖着一层 14 微米厚的二氧化硅微粒(silicon oxide particles)。当激光穿过玻片时其产生的等离子体可以将二氧化硅微粒沿着激光的方向急速推进。

论文称,研究人员可以调节激光器的功率来控制微粒子弹的速度。实验中,微粒子速度的范围从 40 米 / 秒到超音速的 1100 米 / 秒不等。对此 Carlos Portela 解释到:“超音速是指每秒大约 340 米以上的任何速度,也就是海平面上空气中的音速。因此,这次实验中微粒的最大速度已经达到了音速的两倍以上。

使用高速摄像机,研究人员捕捉到了微粒与纳米构造材料碰撞的画面。

他们发现,密度越大,碳结构的弹性越强,它们会很好地吸收冲击力,阻止微粒穿透。而且微粒往往会嵌入材料中,而不是直接将它撕裂。

为了更仔细地观察撞击结果,研究人员对受到微粒撞击的材料进行了 “解剖”。他们发现在微粒正下方的结构区域已经因撞击而皱缩和压实,但周围的结构却完好无损。

图|微粒 “子弹” 嵌入碳材料(来源:该论文)

Carlos Portela 说:“我们证明,相较于致密和整体式的结构来说,这种由十四面体构造的纳米材料可以吸收大量能量。”

展望未来,研究人员还将继续探索各种纳米结构以及除了碳以外的其他材料。Carlos Portela 表示:“纳米结构材料很有希望成为新的抗冲击材料。我们对它们还有很多不了解的地方,我们开始着手回答这些问题,并将为它的广泛应用打开大门。”

抗撞击盔甲的演变

自从人类穿上皮衣抵挡敌人攻击开始,武器和盔甲之间就展开了永无止境的竞赛。盔甲最早是用兽皮柳条、有垫衬材料的布套、木头和石头制成的,而皮甲据说是夏朝帝杼发明的。

公元前 2600 年左右,在两河流域、殷周时代的中国、吠陀时代的印度都已发展出了青铜甲。再来中亚的斯基泰人独步全球首先发明了铁器以及世界最早的钢铁技术。

中世纪晚期,欧洲出现了全钢板盔甲。15 世纪至 16 世纪,全套盔甲和 “中世纪骑士” 的流行联系在一起,成为中世纪末期和文艺复兴时期的一个特征。这个时期的一套全身盔甲重约 15-25 公斤。当盔甲的重量均匀分布在全身时,穿戴者可以完成跳跃、奔跑等动作。到 15 世纪末至 16 世纪,特种骑术盔甲的重量可达 50 公斤。由于它不是为战斗而设计,所以不需要考虑士兵的自由移动问题。唯一的限制因素是 “那时一匹战马可以携带的最大重量”。

图|1480 年代,专门为中世纪德国的一项锦标赛运动 Kolbenturnier 而设计的装甲(来源:维基百科)

进入现代战争以来,盔甲在子弹和火药等武器的面前败下阵来。因此除了钢铁等材料以外,科学家一直在研制更轻、功能性更高的抗撞击防爆材料。迄今为止,非金属的防撞击防爆材料主要包括陶瓷和纤维两大种类。其中最出名的,当属前面提到的 Kevlar 纤维。

据了解,Kevlar 的抗拉性能极佳,其强度为同等质量钢铁的五倍,但密度仅为钢铁约五分之一,因此在上世纪 70 年代初被用于替代赛车轮胎中的部分钢材。此外,凯芙拉不会像钢铁般与氧气和水产生锈蚀。现在凯芙拉广泛用于船体、飞机、自行车轮胎、军用头盔、防弹背心等。Kevlar 也存在一些弱点,比如在碱 性环境下或暴露于氯及紫外线之下时,会逐渐被分解。

图|由 Kevlar 纤维制成的材料(来源:英国皇家化学学会)

在此次的实验中,碳纤维纳米材料比同等质量的 Kevlar 纤维更能阻挡 “子弹” 的撞击。因此,如果该团队能够找到一种大规模生产这种材料的方法,未来它或将在所有行业有着广泛的应用前景。

参考文献:

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01033-z

https://news.mit.edu/2021/carbon-nanomaterial-light-strong-0624

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