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科学家设计出比钻石更坚固的超轻碳纳米结构

科学家们发现了一种在纳米级上构造碳的新方法,使得该材料在强度密度比方面优于金刚石。

科学家设计出比钻石更坚固的超轻碳纳米结构

科学家们发现了一种在纳米级上构造碳的新方法,使得该材料在强度密度比方面优于金刚石。

尽管微小的碳晶格已在实验室中制造和测试,但距离实际使用还有很长的路要走。但是,这种新方法可以帮助我们将来制造更坚固,更轻的材料-航空航天等行业非常感兴趣。 

我们在这里所说的是所谓的纳米晶格-上图所示的多孔结构,它由三维碳撑杆和支撑组成。由于其独特的结构,它们非常坚固且轻巧。通常,这些纳米晶格围绕圆柱框架(它们称为束纳米醇)。但是,该团队现在已经创建了基于薄板的板式服装。这种细微的变化听起来可能并不多,但是研究人员说,在力量方面,它可以产生很大的变化。根据早期的实验和计算,平板方法比梁纳米晶格方法的强度提高了639%,刚性提高了522%。

加州大学尔湾分校(UCI)的材料科学家Cameron Crook说: “科学家们预测,以板状设计排列的纳米晶格会非常坚固。但是以这种方式制造结构的困难意味着,直到我们成功做到这一理论,该理论才被证明。”

为了最终在实验室中测试这些材料,研究人员使用了一种复杂的3D激光打印工艺,称为双光子聚合直接激光写入,该工艺实质上是在激光束内部使用经过精心管理的化学反应来蚀刻出最小尺寸的形状。使用对紫外线敏感的液体树脂,该过程向树脂发射光子,将其转变为特定形状的固体聚合物。然后需要额外的步骤以去除多余的树脂并加热该结构以将其固定在适当的位置。

实际上,科学家在这里所做的工作接近于这种材料的最大理论刚度和强度-这种极限称为Hashin-Shtrikman和Suquet上限。正如扫描电子显微镜所证实的,这些是第一个实际实验,表明可以达到那些理论上的极限,尽管距离大规模制造这种材料还有很长的路要走。这种材料的部分强度在于其很小的尺寸:当类似物体的尺寸缩小到100纳米以下(比人的头发的厚度小一千倍)时,它们中的毛孔和裂纹会变得越来越小,从而减少了潜在的缺陷。

至于这些纳米晶格最终将如何使用,它们一定会引起航空航天工程师的兴趣-强度和低密度的结合使其成为飞机和航天器的理想选择。UCI的机械工程师Jens Bauer表示: “以前的基于梁的设计虽然引起了广泛的兴趣,但在机械性能方面却没有那么有效。我们创造的这种新型的板式纳米纤维比最佳的束式纳米纤维要强得多,也更坚硬。”

原创文章,作者:快讯,如若转载,请注明出处:https://accesspath.com/nanotechnology/041901/

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