加州理工學(xué)院3D打印納米材料防彈裝甲，性能優(yōu)于纖維材料和...

南極熊導(dǎo)讀：在戰(zhàn)爭(zhēng)中，防彈裝甲被士兵視為最為重要的裝備之一，畢竟它是保障生命的最后一道防線。從古至今，制作防護(hù)裝甲的材料也在不斷演變，冷兵器時(shí)代的人們多采用藤條、竹板等來(lái)制作護(hù)甲。隨著冶煉、鑄造技術(shù)的不斷進(jìn)步，也出現(xiàn)了鎖子甲、重甲等以鋼鐵材料打造的護(hù)身裝備。直至近代，防彈衣的制作材料也逐漸擴(kuò)展為鋼板、陶瓷、多層纖維材料等，所提供的防護(hù)等級(jí)也在不斷提高。除了防護(hù)性能外，也需要考慮到士兵的穿戴體驗(yàn)，因此，如何創(chuàng)造出質(zhì)輕、防沖擊性能優(yōu)良的材料制作防彈衣一直以來(lái)也是屬于材料科學(xué)的前沿研究。

△防護(hù)裝甲

2021年7月28日，南極熊獲悉，由麻省理工學(xué)院、加州理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室組成的士兵納米技術(shù)研究所（ISN）已經(jīng)利用納米級(jí)的3D打印技術(shù)形成了一種材料，據(jù)說(shuō)這種材料在防彈方面比凱夫拉（KEVLAR，一種芳綸纖維材料產(chǎn)品）或鋼更有效。

這種材料比人類的一根頭發(fā)還要薄，它是由微小的碳支柱制成的，這些支柱形成了相互連接的四面體，它有14個(gè)面的結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙光子光刻技術(shù)制造完成。

據(jù)該團(tuán)隊(duì)稱，這種納米架構(gòu)的材料有可能取代凱夫拉，并應(yīng)用到武裝部隊(duì)的各種防彈防護(hù)裝備中。

根據(jù)加州理工學(xué)院材料科學(xué)家Julia Greer的說(shuō)法，這項(xiàng)工作可以為超輕量級(jí)的抗沖擊材料提供設(shè)計(jì)思路，用于制作國(guó)防和空間應(yīng)用中理想的高效裝甲材料、防護(hù)涂層和抗爆盾牌。

△ISN已經(jīng)開發(fā)出一種納米結(jié)構(gòu)的材料，據(jù)說(shuō)比凱夫拉或鋼更有效地阻止射彈。照片來(lái)自加州理工學(xué)院

納米級(jí)的材料結(jié)構(gòu)工程

納米架構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)是在納米尺度上設(shè)計(jì)的，使科學(xué)家能夠設(shè)計(jì)出幾乎任何可以想象的具有理想特性的三維形狀。雖然納米架構(gòu)材料在壓縮和拉伸條件下的高強(qiáng)度之前已經(jīng)得到了驗(yàn)證，但I(xiàn)SN團(tuán)隊(duì)試圖進(jìn)一步探索這種材料如何在高速?zèng)_擊下維持結(jié)構(gòu)。

ISN開發(fā)的材料由通過(guò)雙光子光刻技術(shù)排列的、由碳支柱組成的相互連接的四面體組成。自2018年以來(lái)，格里爾的團(tuán)隊(duì)一直在探索雙光子光刻技術(shù)在打印納米級(jí)3D打印物體方面的能力。

四面體結(jié)構(gòu)最早是由開爾文勛爵在19世紀(jì)提出的，理論上是用自身的復(fù)制體填充空間的最有效結(jié)構(gòu)之一。

對(duì)光敏感的光刻膠構(gòu)成了納米架構(gòu)材料的基礎(chǔ)，在雙光子光刻過(guò)程中，根據(jù)激光器的光照射來(lái)確定其形狀。在這個(gè)過(guò)程中，緊密聚焦的激光在光刻膠內(nèi)進(jìn)行三維追蹤，使材料凝固，直到打印出完整的結(jié)構(gòu)。然后，打印的結(jié)構(gòu)通過(guò)在極高溫度下的熔爐中燃燒而熱解，將聚合物轉(zhuǎn)化為熱解碳。

兩種版本的超薄材料以不同的密度被創(chuàng)造出來(lái)，并以每秒40至1100米的速度用直徑為14微米的微粒子進(jìn)行爆破（音速是每秒340米）。密集型材料被發(fā)現(xiàn)對(duì)爆炸有更強(qiáng)的彈性，微粒子嵌入材料中，而不是像完全密集的聚合物或相同厚度的碳片那樣被撕裂。

據(jù)觀察，緊緊圍繞著微粒子的碳支柱崩潰了，而整體結(jié)構(gòu)保持完好。根據(jù)ISN團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，納米結(jié)構(gòu)材料的性能比鋼鐵高出100%以上，比凱夫拉復(fù)合材料高出70%以上。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系助理教授、論文的主要作者Carlos Portela說(shuō)："從歷史上看，這種幾何形狀出現(xiàn)在能量緩解的泡沫中。雖然碳通常是脆性的，但納米架構(gòu)材料中的支桿的排列和小尺寸產(chǎn)生了一種橡膠的、以彎曲為主的架構(gòu)。我們證明材料可以吸收大量的能量，因?yàn)檫@種納米級(jí)的支桿的沖擊壓實(shí)機(jī)制與完全密集和單一的東西相比，不是納米架構(gòu)的。"

△材料制造和微粒子沖擊實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。圖片來(lái)自《自然材料》

ISN的合作伙伴認(rèn)為，所開發(fā)的材料有可能取代凱夫拉和鋼，用于武裝部隊(duì)中士兵使用的裝甲材料、保護(hù)性涂層和抗爆盾牌。然而，在該材料能夠用于現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用之前，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。

展望未來(lái)，研究人員將設(shè)法找到擴(kuò)大該材料生產(chǎn)規(guī)模的方法，并探索其他納米架構(gòu)材料如何在高速?zèng)_擊下保持穩(wěn)定。

關(guān)于這種納米架構(gòu)材料的進(jìn)一步信息可以在《Nature Materials》雜志上發(fā)表的題為"Supersonic Impact Resilience of Nanoarchitected Carbon"的論文中找到。這項(xiàng)研究是由C. Portela, B. Edwards, D. Veysset, Y. Sun, K. Nelson, D. Kochmann和J. Greer共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-01033-z

△在超音速下用微粒子爆破材料的沖擊過(guò)程和造成的損害。圖片來(lái)自《自然材料》

納米級(jí)3D打印

由于納米級(jí)3D打印所開辟的潛在應(yīng)用范圍，科學(xué)家們?cè)絹?lái)越希望優(yōu)化該技術(shù)并開發(fā)新的工藝、材料和應(yīng)用。

例如，來(lái)自代頓大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種增強(qiáng)的、具有成本效益的3D打印納米級(jí)結(jié)構(gòu)的技術(shù)，被稱為光-熱-機(jī)械（OTM）納米打印技術(shù)。利用低成本的激光束，該技術(shù)能夠在比人類頭發(fā)小一千倍的尺寸上進(jìn)行打印。

在其他地方，來(lái)自Fraunhofer IMM的科學(xué)家們正在開發(fā)一種新型的多光子光刻工藝，以生產(chǎn)納米級(jí)的金屬3D打印結(jié)構(gòu)，而美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的研究人員一直在研究一種新方法，以在納米級(jí)3D打印凝膠和軟材料。據(jù)NIST稱，該技術(shù)可以創(chuàng)建復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，如柔性電極、生物傳感器或軟性微型機(jī)器人。