超強奈米材料問世！可抵抗超音速微粒撞擊，或開啟防爆材料新市場

撰文：劉芳編審：寇建超

你是否幻想過有一天自己能像鋼鐵俠一樣無堅不摧？恭喜你，這個夢想可能很快就要實現了。

日前，來自麻省理工學院、加州理工和蘇黎世聯邦理工學院的科學家們，聯合研發了一款可抵抗超音速微粒 “子彈” 撞擊的神奇材料。這款比人類頭髮絲直徑還要薄的材料由奈米級碳纖維精心設計而成，如果在工業上實現大規模生產，它將有望提升輕質裝甲、防護塗層、防爆盾牌和其他相關抗衝擊裝備的總體效能。

相關論文以 “Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon” 為題，於6 月 24 日發表在權威科學期刊 Nature Materials 上。

（來源：Nature Materials）

以往人類使用的抗衝擊防爆材料主要由鋼、鐵和鋁等金屬構成，這就是為什麼鋼鐵俠會穿上一身鎧甲來保護他的血肉之軀。但鋼鐵等金屬有一個顯著的缺陷，那就是 “特別沉”。

圖｜鋼鐵俠

因此，如何找到一種更輕便的抗撞擊材料便成為了很多科學家一直以來的研究方向。繼美國杜邦（DuPont）公司研製的凱夫拉（Kevlar）纖維之後，這款奈米材料有望開啟防爆材料的新市場。

鐳射列印加烘烤

為了達到理想中的效果，研究團隊選擇在奈米單位上重複列印一種複雜的十四面體結構。複雜的十四面體（大約有 15 億種可能的變化）結構是開爾文勳爵（Lord Kelvin）在 19 世紀提出的，理論上它是用自身的複製品填充空間的最有效的方法之一。

該研究論文的第一作者、通訊作者之一、麻省理工學院機械工程助理教授 Carlos Portela 表示：“這種結構通常出現在減震泡沫中。” Portela 和他的同事們想知道，如果許多這樣的多面體可以被塞進一個小空間並相互連線，它們是否會成為一種有效的減震器。

圖｜奈米結構碳材料（來源：MIT News）

在選擇了納米結構後，研究人員使用雙光子光刻技術（two-photon lithography）進行列印。簡單來說，雙光子光刻是一種領先的鐳射 3D 列印技術。普通的 3D 鐳射列印技術的解析度受印表機鐳射點大小的限制，而雙光子光刻技術可用高功率鐳射固化光敏樹脂（photosensitive resin）的微觀結構，從而將列印解析度提高到難以置信的精度。

列印完成後，研究人員把材料放入高溫真空爐中烘烤，將聚合物轉化為碳，從而生產出超輕的奈米結構碳材料。據論文描述，碳材料通常是易碎的，但是十四面體的晶格結構賦予了這種材料特有的靈活性和抗衝擊性。這種材料在受到撞擊時可以像橡膠一樣彎曲。

對此，加州理工大學材料科學、力學和醫學工程教授 Julia R。Greer 表示：“從這項實驗中獲得的資料可以為超輕型抗衝擊材料、高效裝甲材料、防護塗層和防爆盾牌提供靈感。”

抵抗比音速還快的微粒 “子彈”

為了測試新型材料在極端變形條件下的彈性，麻省理工學院的研究人員進行了鐳射誘導微粒撞擊實驗。首先，他們用超快鐳射對準了塗有鉑金層的玻片，在金薄膜外還覆蓋著一層 14 微米厚的二氧化矽微粒（silicon oxide particles）。當鐳射穿過玻片時其產生的等離子體可以將二氧化矽微粒沿著鐳射的方向急速推進。

論文稱，研究人員可以調節鐳射器的功率來控制微粒子彈的速度。實驗中，微粒子速度的範圍從 40 米 / 秒到超音速的 1100 米 / 秒不等。對此 Carlos Portela 解釋到：“超音速是指每秒大約 340 米以上的任何速度，也就是海平面上空氣中的音速。因此，這次實驗中微粒的最大速度已經達到了音速的兩倍以上。

使用高速攝像機，研究人員捕捉到了微粒與奈米構造材料碰撞的畫面。

他們發現，密度越大，碳結構的彈性越強，它們會很好地吸收衝擊力，阻止微粒穿透。而且微粒往往會嵌入材料中，而不是直接將它撕裂。

為了更仔細地觀察撞擊結果，研究人員對受到微粒撞擊的材料進行了 “解剖”。他們發現在微粒正下方的結構區域已經因撞擊而皺縮和壓實，但周圍的結構卻完好無損。

圖｜微粒 “子彈” 嵌入碳材料（來源：該論文）

Carlos Portela 說：“我們證明，相較於緻密和整體式的結構來說，這種由十四面體構造的奈米材料可以吸收大量能量。”

展望未來，研究人員還將繼續探索各種奈米結構以及除了碳以外的其他材料。Carlos Portela 表示：“奈米結構材料很有希望成為新的抗衝擊材料。我們對它們還有很多不瞭解的地方，我們開始著手回答這些問題，並將為它的廣泛應用開啟大門。”

抗撞擊盔甲的演變

自從人類穿上皮衣抵擋敵人攻擊開始，武器和盔甲之間就展開了永無止境的競賽。盔甲最早是用獸皮柳條、有墊襯材料的布套、木頭和石頭製成的，而皮甲據說是夏朝帝杼發明的。

公元前 2600 年左右，在兩河流域、殷周時代的中國、吠陀時代的印度都已發展出了青銅甲。再來中亞的斯基泰人獨步全球首先發明瞭鐵器以及世界最早的鋼鐵技術。

中世紀晚期，歐洲出現了全鋼板盔甲。15 世紀至 16 世紀，全套盔甲和 “中世紀騎士” 的流行聯絡在一起，成為中世紀末期和文藝復興時期的一個特徵。這個時期的一套全身盔甲重約 15-25 公斤。當盔甲的重量均勻分佈在全身時，穿戴者可以完成跳躍、奔跑等動作。到 15 世紀末至 16 世紀，特種騎術盔甲的重量可達 50 公斤。由於它不是為戰鬥而設計，所以不需要考慮士兵的自由移動問題。唯一的限制因素是 “那時一匹戰馬可以攜帶的最大重量”。

圖｜1480 年代，專門為中世紀德國的一項錦標賽運動 Kolbenturnier 而設計的裝甲（來源：維基百科）

進入現代戰爭以來，盔甲在子彈和火藥等武器的面前敗下陣來。因此除了鋼鐵等材料以外，科學家一直在研製更輕、功能性更高的抗撞擊防爆材料。迄今為止，非金屬的防撞擊防爆材料主要包括陶瓷和纖維兩大種類。其中最出名的，當屬前面提到的 Kevlar 纖維。

據瞭解，Kevlar 的抗拉效能極佳，其強度為同等質量鋼鐵的五倍，但密度僅為鋼鐵約五分之一，因此在上世紀 70 年代初被用於替代賽車輪胎中的部分鋼材。此外，凱芙拉不會像鋼鐵般與氧氣和水產生鏽蝕。現在凱芙拉廣泛用於船體、飛機、腳踏車輪胎、軍用頭盔、防彈背心等。Kevlar 也存在一些弱點，比如在鹼性環境下或暴露於氯及紫外線之下時，會逐漸被分解。