变身钢铁侠？MIT科学家研发超强纳米材料，可抵

作者：张馨予

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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。

变身钢铁侠？MIT科学家研发超强纳米材料，可抵

（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 "。

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。

变身钢铁侠？MIT科学家研发超强纳米材料，可抵

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。

变身钢铁侠？MIT科学家研发超强纳米材料，可抵

他们发现，密度越大，碳结构的弹性越强，它们会很好的吸收冲击力，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。