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 文／陳根

納米材料由圖案化的納米級(jí)結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)不同的排列方式，這些結(jié)構(gòu)可以賦予材料獨(dú)特的性質(zhì)，例如異常輕盈或者富有彈性。因此，在研究和制造領(lǐng)域，納米材料都被視為潛力十足的材料。

近日，來自麻省理工學(xué)院、加州理工和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們，聯(lián)合研發(fā)了一款可抵抗超音速微粒的神奇材料。該材料由納米級(jí)碳纖維制造而成，直徑堪比人類頭發(fā)絲。

這款材料采用了復(fù)雜的十四面體結(jié)構(gòu)，能夠形成約 15 億種變化的可能，理論上它可以有效用自身的復(fù)制品填充空間，這種結(jié)構(gòu)通常出現(xiàn)在減震泡沫中。之后，研究人員使用雙光子光刻技術(shù)（two－photon lithography）進(jìn)行打印。

雙光子光刻，簡(jiǎn)單來說，是一種領(lǐng)先的激光 3D 打印技術(shù)。普通的 3D 激光打印技術(shù)的分辨率受打印機(jī)激光點(diǎn)大小的限制，而雙光子光刻技術(shù)可用高功率激光固化光敏樹脂的微觀結(jié)構(gòu)，從而顯著提升打印分辨率的精度。

打印完成后，材料需要放入高溫真空爐中烘烤，將聚合物轉(zhuǎn)化為碳，從而生產(chǎn)出超輕的納米結(jié)構(gòu)碳材料。雖然碳材料易碎，但是十四面體的晶格結(jié)構(gòu)賦予了這種材料特有的靈活性和抗沖擊性，使其在受到撞擊時(shí)可以像橡膠一樣彎曲。

為了測(cè)試新型材料在極端變形條件下的彈性，研究人員進(jìn)行了激光誘導(dǎo)微粒撞擊實(shí)驗(yàn)。他們用超快激光對(duì)準(zhǔn)了涂有鉑金層的玻片，在金薄膜外還覆蓋著一層14微米厚的二氧化硅微粒。當(dāng)激光穿過玻片時(shí)，其產(chǎn)生的等離子體可以將二氧化硅微粒沿著激光的方向急速推進(jìn)。

實(shí)驗(yàn)中，微粒子速度的范圍從40米／秒到超音速的1100米／秒不等。一般來說，超音速是指每秒大約340米以上的任何速度，而這次實(shí)驗(yàn)中微粒的最大速度已經(jīng)達(dá)到了音速的兩倍以上。另外，密度越大，碳結(jié)構(gòu)的彈性越強(qiáng)，它們會(huì)很好的吸收沖擊力，阻止微粒穿透。

以往人類使用的抗沖防爆材料主要由鋼、鐵和鋁等金屬構(gòu)成，但這些金屬一個(gè)明顯的缺陷就是重量大。而該材料在滿足防護(hù)力的同時(shí)，還十分輕便。未來，如果其在工業(yè)上能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，將有望提升輕質(zhì)裝甲、防護(hù)涂層、防爆盾牌和其他相關(guān)抗沖擊裝備的總體性能。