文/陳根

作為長度單位的納米是一米的十億分之一。一個分子和DNA是1納米，一根頭發(fā)是75000納米，注射用的針頭就是100萬納米，而一個身高2米的籃球員運(yùn)動員則能達(dá)到20億納米。基于在納米尺度上，材料會呈現(xiàn)出與宏觀尺度上完全不同的物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)特性，納米材料應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)在，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，則利用納米級碳纖維設(shè)計了一款可抵抗超音速微粒“子彈”撞擊的材料，而這款比人類頭發(fā)絲直徑還要薄的材料如果在工業(yè)上實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，它將有望提升輕質(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。

其中，納米纖維分為丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維兩種。碳纖維比鋁輕，比鋼強(qiáng)，它的比重是鐵的1/4，強(qiáng)度是鐵的10倍。除具有極好的強(qiáng)度外，其化學(xué)性質(zhì)還非常穩(wěn)定，耐腐蝕，高溫和低溫，耐輻射，除臭。通常，碳納米纖維的直徑通常為60-200nm，長度通常為100lm。

另外，碳納米纖維的楊氏模量為600GPa，拉伸強(qiáng)度通常在2.5至3.5GPa之間。碳納米纖維可以與其他聚合物結(jié)合形成具有優(yōu)異性能的納米級復(fù)合材料，碳納米纖維材料通常被認(rèn)為是復(fù)合材料的基質(zhì)材料，并且增強(qiáng)了復(fù)合材料的整體導(dǎo)電性和機(jī)械性能。

此次研究中，研究團(tuán)隊選擇在納米單位上重復(fù)打印一種復(fù)雜的十四面體結(jié)構(gòu)，在選擇了納米結(jié)構(gòu)后，研究人員使用雙光子光刻技術(shù)進(jìn)行打印。其中，雙光子光刻技術(shù)作為一種領(lǐng)先的激光3D打印技術(shù)，可用高功率激光固化光敏樹脂的微觀結(jié)構(gòu)，從而將打印分辨率提高到難以置信的精度。

打印完成后，研究人員把材料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——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。這種材料在受到撞擊時可以像橡膠一樣彎曲。

在進(jìn)一步測試新型材料在極端變形條件下的彈性中，研究人員進(jìn)行了激光誘導(dǎo)微粒撞擊實驗。實驗中，微粒子速度的范圍從40米/秒到超音速的1100米/秒不等。結(jié)果顯示，密度越大，碳結(jié)構(gòu)的彈性越強(qiáng)，它們會很好的吸收沖擊力，阻止微粒穿透。而且微粒往往會嵌入材料中，而不是直接將它撕裂。

科技革命為人類的生產(chǎn)和生活提供了新工具，納米材料理想的機(jī)械、化學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)或光學(xué)性能，正使納米材料在傳統(tǒng)和新興工業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這也將進(jìn)一步推動人們走向全新的科技社會。