作者:Julia R. Greer 来源:《自然—材料学》 发布时间:2013-9-10 13:57:25
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新型纳米中空陶瓷框架结构坚韧耐压
 
据物理学家组织网近日报道,天然藻类等有机物的轻量骨架的坚韧度完胜由同样材料制成的产品。科学家们一直怀疑,这种差异同生物材料的层次式体系结构有关——以二氧化硅为基础的生物骨架由不同的结构元件构成,其中有些元件仅为几纳米。现在,美国科学家通过制造出纳米中空陶瓷框架模拟了这一结构,并且发现,尽管这种微型晶胞超过85%是空气,但其的确拥有令人惊叹的坚韧度。研究发表在最新一期的《自然—材料学》杂志网站上。
 
该研究的领导者、加州理工学院材料科学和力学教授朱利安·歌瑞尔表示:“最新研究有助于科学家们用纳米材料制造出坚硬又轻量的‘超材料’。”
 
歌瑞尔的团队已经证明,固体在纳米尺度下与其在更大尺度下会表现出非常不同的属性。例如,在纳米尺度下,有些金属的强度会增加50%;有些非晶体材料也会变得更柔韧而非更易碎。歌瑞尔说:“我们正在深入研究这样的尺寸效应并用它们来制造真实的三维结构。”
 
他们首先通过数字化方法设计出了一种具有不断重复的八面体晶胞的晶格结构,其同硅藻内的周期性晶格结构类似,接下来再使用双光子光刻技术将这一结构变成了三维聚合物晶格,然后再将陶瓷材料氮化钛(TiN)涂在这一晶格表面并将聚合物内核移除,得到的陶瓷纳米晶格由中空的支杆与不超过75纳米厚的内壁建构而成。
 
随后,他们对这种陶瓷晶格的单个八面体晶胞进行了应压测试,结果表明其具有非凡的抗张强度,在连续不断的压力下,也不会破碎;而更大块的氮化钛在更小的压力下反倒会破碎。歌瑞尔解释说:“陶瓷容易破碎是因为其存在瑕疵(洞和空白等不完美之处)。纳米结构拥有的坚硬和耐压能力源于一个事实:当物体变得足够小时,其瑕疵也变得非常小,在其内部发现脆弱易碎瑕疵的可能性极低。因此,尽管结构力学表明,由氮化钛制成的多孔结构可能会变得很脆弱——因为其内壁纤薄,但我们能通过减少该材料的厚度或大小并调谐其微结构或原子配置来打破这一法则。”
 
在即将发表于《先进工程材料》杂志的论文中,歌瑞尔团队用金代替陶瓷制造出了同样的纳米晶格。目前,他们使用新方法制造出的最大结构是1毫米长的管子,对其进行的应压试验表明,整个结构非常坚硬。
 
歌瑞尔说,最新研究能从根本上改变人们制造材料的方式。她说:“使用这一方法,我们可以进行反向设计。比如,我们先假定需要的材料具有某方面的特性(比如强度或导热能力等),再用最优的材料设计出最优的结构并最终得到我们想要的材料。这种通用的建构技术可用来制造轻便且柔韧的小尺度元件,诸如电池、接口、催化剂和可植入的生物医学设备等。”(来源:科技日报 刘霞)
 
 
 
 
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