美研制出堅固輕質(zhì)納米陶瓷可用于制造更輕更堅固的飛機(jī)和電極

據(jù)美國麻省理工學(xué)院(MIT)《技術(shù)評論》雜志報道，美國科學(xué)家研制出了一種新的陶瓷材料，由納米支桿相互交錯而形成。研究人員表示，這是有史以來最堅固且最輕質(zhì)的材料之一，如果他們能想到方法大規(guī)模制造出此類物質(zhì)，那么，它可以被用來制造飛機(jī)、卡車以及電池的電極，研究發(fā)表在近期的《科學(xué)》雜志上。

由加州理工學(xué)院的材料科學(xué)家茱莉亞·格里爾領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，通過對納米材料的支桿和節(jié)點進(jìn)行認(rèn)真地設(shè)計，他們能制造出陶瓷、金屬和其他壓碎后能恢復(fù)的材料，就像海綿一樣。這種材料不僅堅固而且輕質(zhì)，可以像羽毛一樣漂浮在空中。

傳統(tǒng)材料的強(qiáng)度、重量以及密度緊密相關(guān)，比如陶瓷很堅固，但也很重，因此，它們不能被用來制造重量非常重要的物件，比如汽車車身。而且，一旦陶瓷被打碎，它們就像玻璃一樣，粉身碎骨、無法復(fù)原。

但納米世界并不遵循這一規(guī)則。在納米尺度下，陶瓷的結(jié)構(gòu)和力學(xué)屬性與其重量等屬性的聯(lián)系變得不那么密切，而且，其屬性可以被精確地修改。格里爾說:“對陶瓷來說，越小越堅固。”這意味著由陶瓷材料制成的納米尺度的構(gòu)架可以兼顧輕質(zhì)與堅固。

2011 年，格里爾與其他科學(xué)家攜手制造出了有史以來最輕質(zhì)的材料之一:一種由中空的金屬管制成的微網(wǎng)格。現(xiàn)在，她更上一層樓，制造出了擁有同樣屬性的陶瓷，這些材料由一些被調(diào)諧得非常好的結(jié)構(gòu)制成，因此，很難制造出來。

為了制造出陶瓷納米支架，格里爾團(tuán)隊使用一種名為雙光子干涉光刻(相當(dāng)于成本極低的3D 激光打印技術(shù))的技術(shù)。首先，他們用這一方法，使用聚合物制造出了所需的結(jié)構(gòu)-網(wǎng)格，接著用氧化鋁等陶瓷將聚合物包裹起來，隨后再用氧等離子體對其進(jìn)行蝕刻，最終只留下中空的陶瓷管網(wǎng)格。

格里爾團(tuán)隊證明，通過改變管壁的厚度，可以很好地對材料是否容易破碎進(jìn)行控制。當(dāng)管壁很厚時，陶瓷會在壓力下粉碎，和我們想象的一樣，但當(dāng)管壁僅為10 nm 厚時，材料在壓力下也會彎曲，但隨后會恢復(fù)其形狀。

研究人員表示，這種新材料或許非常適合用做制造電池的原料。納米結(jié)構(gòu)擁有很大的表面積，而且非常輕質(zhì)，這兩點結(jié)合起來，可以制造能快速充放且能容納很多能源的電池。實際上，格里爾表示，她正在與德國博世公司攜手將最新設(shè)計應(yīng)用在鋰離子電池的制造過程中。