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近年來(lái)隨著科技的發(fā)展特別是航空航天技術(shù)的突飛猛進(jìn)，超輕超硬材料已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)材料科學(xué)和固體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)材料同時(shí)具有超輕量、高強(qiáng)度、大變形、抗沖擊及缺陷不敏感等優(yōu)異性能是現(xiàn)代材料設(shè)計(jì)和制造的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

對(duì)這一問(wèn)題的挑戰(zhàn)，科學(xué)家們選擇了一種十四面體的力學(xué)性能由彎曲行為主導(dǎo)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。具有此種結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米點(diǎn)陣超材料在受到撞擊時(shí)可以吸收大量能量，而不容易發(fā)生災(zāi)難性的斷裂。

今年，麻省理工、加州理工和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院合作，在高影響因子科學(xué)期刊 Nature Materials上發(fā)表了“Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon”的研究論文。在論文中，研究者利用德國(guó)Nanoscribe公司的雙光子3D打印系統(tǒng)Photonic Professional GT研發(fā)了一種可抵擋超音速微粒 “Bullet” 撞擊的力學(xué)超材料。這種厚度比人類(lèi)頭發(fā)絲直徑還要小的材料由精心設(shè)計(jì)加工的碳纖維微納米點(diǎn)陣構(gòu)成，如果在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，將有望大大提升飛行器、輕質(zhì)裝甲、防護(hù)涂層、以及其它超輕超硬抗沖擊裝備的總體性能。

誕生于享有 “歐洲麻省理工學(xué)院” 稱(chēng)號(hào)的卡爾斯魯厄理工大學(xué)的Nanoscribe公司，作為球高精度3D打印設(shè)備的生產(chǎn)公司，一直專(zhuān)注于推動(dòng)力學(xué)超材料、微納機(jī)器人及微機(jī)電、生物醫(yī)學(xué)工程和微納光學(xué)等創(chuàng)新領(lǐng)域的研究，同時(shí)致力于為大學(xué)的科研群體提供各類(lèi)優(yōu)化制程方案。

科學(xué)家們?cè)诖_定了材料的幾何結(jié)構(gòu)后，本文作者們使用Nanoscribe雙光子光刻技術(shù)（two-photon lithography）進(jìn)行打印。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，雙光子光刻基于非線性光學(xué)原理，是目前精度高的激光 3D 打印技術(shù)。普通的基于單光子的3D 激光打印技術(shù)的分辨率易受光學(xué)分辨率及層間位移機(jī)械誤差的影響而精度較低，而雙光子光刻技術(shù)利用高能飛秒激光脈沖在極小的空間范圍內(nèi)固化光敏樹(shù)脂，從而將打印分辨率提高到難以置信的百納米級(jí)精度。

打印完成后，材料被放入高溫真空爐中熱解，熱解后的聚合物被碳化，從而生產(chǎn)出超輕的碳納米點(diǎn)陣材料。雖然碳材料通常是易碎的，但是論文中設(shè)計(jì)的十四面體的晶格結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為由彎曲而非斷裂主導(dǎo)，從而賦予了這種材料*的彈性和抗沖擊性。這種材料在受到撞擊時(shí)可以像橡膠一樣彎曲。

對(duì)此，加州理工大學(xué)材料科學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授 Julia R. Greer 表示： “從這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)可以為超輕型抗沖擊材料、高效裝甲材料、防護(hù)涂層等提供靈感。”

兼顧微觀和宏觀的高精度3D無(wú)掩膜光刻系統(tǒng)Photonic Professional GT2使用雙光子聚合(2PP)來(lái)產(chǎn)生幾乎任何3D形狀：晶格、木堆型結(jié)構(gòu)、自由設(shè)計(jì)的圖案、順滑的輪廓、銳利的邊緣、表面的和內(nèi)置倒扣以及橋接結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)高速打印并獲得出色微納加工效果，Nanoscribe打印系統(tǒng)所配備的多種動(dòng)態(tài)高精度打印模式（Dynamic Precision Printing modes ，DPP）都能做到精準(zhǔn)調(diào)整。使用DeScribe-我們的打印制備軟件，能實(shí)現(xiàn)自定義模式以滿足您的設(shè)計(jì)要求的特定需求。

增材制造革命性的重新定義了物件的生產(chǎn)制造方式。在微納米尺度上，Nanoscribe基于雙光子聚合技術(shù)的增材制造手段加工精度*，幾乎可以滿足任何形狀物件的3D加工。無(wú)論結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，Nanoscribe自動(dòng)化三維無(wú)掩模光刻工藝均可做到所需器件的一步加工成型，甚至對(duì)于復(fù)雜的生物器官組織的加工也是如此，真正做到了所見(jiàn)即所得。

展望未來(lái)，研究人員們表示還將繼續(xù)探索各種碳納米點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)以及其他材料的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。作者們也希望碳納米點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料能夠取代Kevlar纖維成為新一代的超輕抗沖擊吸能材料。本文的主要合作對(duì)象——清華大學(xué)的李曉雁研究團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期從事新型微納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)研究，是國(guó)際以及國(guó)內(nèi)相關(guān)研究領(lǐng)域*的帶頭人之一。

歡迎閱讀原文獻(xiàn)：

Portela, C.M., Edwards, B.W., Veysset, D. et al. Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. 20, 1491–1497 (2021).

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