下圖中的網狀結構厚度只有我們頭發的1/5，但是它卻擋住了一顆超音速微粒的撞擊而沒有被擊穿，撞擊在上面留下了一個坑洞，你可以很直觀地看到。

麻省理工學院、加州理工學院和蘇黎世聯邦理工學院的工程師進行的一項新研究表明，“納米結構”材料——由精確圖案化的納米級結構設計的材料——可能是制造輕質裝甲、防護涂層、防爆盾和其他抗沖擊材料的有前途的途徑。

研究人員制造了一種由納米級碳支柱制成的超輕材料，使材料具有韌性和機械強度。該團隊通過以超音速發射微粒來測試材料的彈性，發現這種材料比人類頭發的寬度還要薄，可以防止微型射彈穿透它。

研究人員計算出，與鋼、凱夫拉爾、鋁和其他重量相當的抗沖擊材料相比，這種新材料在吸收沖擊方面更有效。

該研究的主要作者、麻省理工學院機械工程助理教授卡洛斯·波特拉 (Carlos Portela) 說：“與相同質量的凱夫拉纖維相比，相同質量的材料在阻止射彈方面的效率要高得多。”

如果大規模生產，這種材料和其他納米結構材料可能會被設計為更輕、更堅固的凱夫拉纖維和鋼的替代品。

“這項工作的知識......可以為超輕質抗沖擊材料[用于]國防和太空應用所需的高效裝甲材料、保護涂層和防爆盾提供設計原則，”合著者朱莉婭說R. Greer 是加州理工學院材料科學、力學和醫學工程教授，他的實驗室領導了材料的制造。

該團隊今天在《自然材料》雜志上報告了其結果，成員包括麻省理工學院士兵納米技術研究所和化學系的 David Veysset、Yuchen Sun 和 Keith A. Nelson，以及蘇黎世聯邦理工學院的 Dennis M. Kochmann。

從易碎到易彎曲

納米結構材料由圖案化的納米級結構組成，根據它們的排列方式，這些結構可以賦予材料獨特的特性，例如異常輕盈和彈性。因此，納米結構材料被視為可能更輕、更堅固的抗沖擊材料。但這種潛力在很大程度上未經測試。

“我們只知道它們在緩慢變形狀態下的反應，而它們的許多實際用途被假設為在實際應用中沒有任何緩慢變形的情況，”Portela 說。

該團隊著手研究快速變形條件下的納米結構材料，例如在高速撞擊期間。在加州理工學院，他們首先使用雙光子光刻技術制造了一種納米結構材料，這種技術使用快速、高功率的激光來固化光敏樹脂中的微觀結構。研究人員構建了一種稱為四面體的重復圖案——一種由微觀支柱組成的晶格結構。

“從歷史上看，這種幾何形狀出現在能量緩解泡沫中，”Portela 說，他選擇在納米級碳材料中復制這種類似泡沫的結構，以賦予通常堅硬的材料一種靈活、吸收沖擊的特性。“雖然碳通常很脆，但納米結構材料中支柱的排列和小尺寸產生了橡膠狀、彎曲主導的結構。”

在對晶格結構進行圖案化后，研究人員洗掉了剩余的樹脂并將其放入高溫真空爐中，將聚合物轉化為碳，留下超輕的納米結構碳材料。

比音速還快的撞擊

為了測試材料對極端變形的彈性，該團隊在麻省理工學院使用激光誘導粒子沖擊測試進行了微粒沖擊實驗。該技術旨在使超快激光穿過涂有金薄膜的載玻片，該載玻片本身涂有一層微粒——在這種情況下，是 14 微米寬的氧化硅顆粒。當激光穿過載玻片時，它會產生等離子體，或從金中快速膨脹的氣體，將氧化硅顆粒推向激光的方向。這導致微粒向目標快速加速。

研究人員可以調整激光的功率來控制微粒彈丸的速度。在他們的實驗中，他們探索了一系列微粒速度，從每秒 40 到 1,100 米，完全在超音速范圍內。

“超音速是指大約每秒 340 米以上的任何東西，這是海平面空氣中的聲速，”波特拉說。“所以，一些實驗很容易實現了兩倍的音速。”

他們使用高速相機拍攝了微粒對納米結構材料產生影響的視頻。他們制造了兩種不同密度的材料——密度較低的材料的支柱比另一種略薄。當他們比較兩種材料的沖擊響應時，他們發現密度較大的一種更具彈性，微粒傾向于嵌入材料中而不是直接撕裂。

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為了更仔細地觀察，研究人員仔細地切開嵌入的微粒和材料，發現在嵌入微粒正下方的區域，微觀支柱和梁在撞擊時已經皺縮并壓縮，但周圍的結構仍然完好無損。

“我們證明這種材料可以吸收大量能量，因為這種材料在納米尺度上的沖擊壓實機制與完全致密和整體而非納米結構的材料相比，”Portela 說。

有趣的是，該團隊發現他們可以通過使用維度分析框架來描述行星撞擊的特征，從而預測材料將承受的損害類型。使用稱為白金漢-Π 定理的原理，該分析考慮了各種物理量，例如流星的速度和行星表面材料的強度，以計算“隕石坑效率”，或流星撞擊的可能性和范圍將挖掘材料。

當該團隊根據他們的納米結構薄膜的物理特性以及微粒的大小和速度調整方程時，他們發現該框架可以預測他們的實驗數據顯示的影響類型。

展望未來，Portela 表示，該框架可用于預測其他納米結構材料的沖擊彈性。他計劃探索各種納米結構配置，以及碳以外的其他材料，以及擴大生產規模的方法——所有這些都是為了設計更堅固、更輕的保護材料。

“納米結構材料確實很有希望作為減輕沖擊的材料，”Portela 說。“我們對它們還有很多不了解，我們正在開始這條道路來回答這些問題并為它們的廣泛應用打開大門。”

梵觀點：可以想象到這種材料的應用范圍是十分廣泛的，比如作為飛行器的保護涂層，或者保護太空艙免收微流星的撞擊等。