科学家研发新型纳米结构材料 防弹效果明显优于Kevlar

　　来自加州理工学院、麻省理工学院和 ETH Zürich 的工程师近日开发出了一种由微小的碳支柱制成的纳米结构材料，在防弹方面比目前主流的材料 Kevlar 更有效。

　　由加州理工学院材料科学家 Julia R. Greer 首创的纳米结构材料具有在纳米尺度上设计的结构，并表现出不寻常的、通常令人惊讶的特性——例如压缩后，异常轻的陶瓷可以像海绵一样弹回其原始形状。

　　Greer 表示：“从这项工作中获得的知识可以为超轻质抗冲击材料提供设计原则，用于国防和太空应用所需的高效装甲材料、保护涂层和防爆盾”。相关的研究发表在《Nature Materials》上。

　　这种材料比人的头发还细，由相互连接的十四面体组成，这些四面体由在极热条件下形成的碳支柱（称为热解碳）制成。四面体是具有 14 个面的结构：六个有四个边，八个有八个边。它们也被称为“开尔文电池”（Kelvin cells），因为在 1887 年，开尔文勋爵（物理学家威廉汤姆森，第一代开尔文男爵，为了纪念他，我们以“开尔文”为单位声明了绝对温度）建议它们是填充空洞的最佳形状具有相同大小物体的三维空间，使用最小的表面积。

　　为了制备这种包含层层堆叠的镂空十四面体的三维纳米结构碳材料，作者先使用双光子光刻技术将预先设计好的交联聚合物进行图案化，然后在真空烘箱中加热至 900 ℃，聚合物材料热解碳化得到最终产品。

　　热解碳材料通常是易碎的，但是十四面体的纳米结构赋予了这种材料抵抗冲击的性能。研究者制备了两种不同密度的样品，每种样品各自由 13500 个十四面体单元组成，每个结构单元尺寸保持为 2.5±0.2 μ m， 热解碳柱直径分别为 370±40 nm 和 530±40 nm， 填充分数（相对密度）分别为约 14% 和约 23%。