团队设计出比钻石更坚固的碳纳米结构

加州大学欧文分校和其他机构的研究人员在建筑上设计了板纳米晶格——纳米尺寸的碳结构——在强度与密度的比率方面比钻石更坚固。在Nature Communications最近的一项研究中，科学家们报告说，这种材料在概念化和制造方面取得了成功，该材料由紧密相连的闭孔板组成，而不是过去几十年此类结构中常见的圆柱形桁架。

“以前基于梁的设计虽然引起了极大的兴趣，但在机械性能方面并没有那么有效，”通讯作者、UCI 机械和航空航天工程研究员 Jens Bauer 说。“我们创造的这种新型板纳米晶格比最好的梁纳米晶格要坚固得多。”

根据该论文，该团队的设计已被证明可以将基于圆柱梁的架构的平均性能提高多达 639% 的强度和 522% 的刚度。

洛伦佐·瓦尔德维特建筑材料实验室的成员，UCI 材料科学与工程以及机械与航空航天工程教授，使用扫描电子显微镜和欧文材料研究所提供的其他技术验证了他们的发现。

“科学家们预测，排列在基于板的设计中的纳米晶格会非常坚固，”主要作者、UCI 材料科学与工程研究生 Cameron Crook 说。“但以这种方式制造结构的困难意味着该理论从未得到证实，直到我们成功地做到了。”

Bauer 表示，该团队的成就依赖于一种称为双光子光刻直接激光写入的复杂 3D 激光打印工艺。随着紫外线光敏树脂逐层添加，材料在两个光子相遇的点变成固体聚合物。该技术能够使重复细胞变成板，面薄至 160 纳米。

Bauer 表示，该团队的成就依赖于一种称为双光子聚合直接激光写入的复杂 3D 激光打印工艺。当激光聚焦在对紫外光敏感的液态树脂液滴内时，这种材料会变成固体聚合物，分子同时被两个光子击中。通过扫描激光或在三个维度上移动平台，该技术能够呈现细胞的周期性排列，每个细胞由薄至 160 纳米的板组件组成。

该小组的一项创新是在板中加入小孔，可用于从成品材料中去除多余的树脂。作为最后一步，晶格经过热解，在真空中将它们加热到 900 摄氏度一小时。根据鲍尔的说法，最终的结果是玻璃碳的立方体晶格，其强度最高，科学家们认为这种多孔材料是可能的。

鲍尔说，这项研究的另一个目标和成就是利用基础物质的先天机械效应。“当你采用任何材料并将其尺寸显着减小到 100 纳米时，它会接近没有孔隙或裂缝的理论晶体。减少这些缺陷会增加系统的整体强度，”他说。

“以前没有人让这些结构独立于规模，”负责 UCI 设计与制造创新研究所的 Valdevit 补充道。“我们是第一个通过实验验证它们可以像预测的一样表现的团队，同时还展示了一种具有前所未有的机械强度的建筑材料。”

纳米晶格对结构工程师，特别是在航空航天领域具有很大的希望，因为人们希望它们的强度和低质量密度的结合将大大提高飞机和航天器的性能。

该研究的其他合著者是 UCI 机械与航空航天工程研究生 Anna Guell Izard，以及来自加州大学圣巴巴拉分校和德国马丁路德哈雷-维滕贝格大学的研究人员。该项目由海军研究办公室和德国研究基金会资助。

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