粉碎它

问:当你设计出了世界上最高效的超材料，一种可以改变汽车、飞机甚至太空探索工具制造方式的材料，它主要是空气，但它的硬度和强度达到了理论极限，而且同样可以抵抗来自任何方向的力，你接下来会做什么?

回答:你打破了它。

至少，这是包括加州大学圣巴巴拉分校的Jonathan Berger和加州大学欧文分校的Jens Bauer在内的一组材料科学家所做的。他们的目标?通过一种叫做平板-纳米晶格的新型超材料来了解可以突破的边界。这项研究结果发表在《自然通讯》杂志上的一篇论文中。

“超材料是一个系统属性-机械工程材料,电,热,或一些组合——自然界之外,”伯格说“这显然有潜力成为一个广泛的一类材料,和通常是预留给系统,从自然系统是完全不同的。”

对于像伯杰这样的设计师来说，他们的目标是寻找建筑和组成材料的组合，以“实现具有极端轻量化的刚度和强度的系统”。

Berger的Isomax™设计开发于2015年，以其在各个方向上的最大刚度特性而命名，它是一种由叠加的空心立方体、锥体和八面体的有序单元组成的泡沫。就其密度而言，Isomax™被认为是最坚硬的超材料设计之一，因为它能够抵抗来自任何方向的剪切和破碎。这在性能材料的世界中开辟了新的可能性，在那里，亮度和强度的罕见结合被高度追求。

这个设计引起了专门研究机械和航空航天工程的Jens Bauer的注意，他是自然通讯研究的首席研究员。在他的工作中，坚固、轻便的材料尤为重要;它们可以成为未来汽车、飞机甚至太空飞行器设计的一部分。

Bauer说:“立方+八tet (Isomax™)拓扑结构是几种被预测将达到多孔材料理论性能极限的设计之一。”“虽然这都是理论，但我们的目标是实际制造一种达到极限的材料，并最终证明那些可以追溯到10年前的理论的预测。”选择立方+八隅体设计是因为它的简单性，这使得它最容易用我们的双光子光刻和热解方法合成。”

来自加州大学欧文分校建筑材料实验室的Lorenzo Valdevit教授首先在立方加八重态设计中制作了一个纳米尺度的封闭细胞碳板结构。纳米级的制造(这些金属板大约是160纳米，相当于人类头发丝厚度的1/400)是首选的方法，因为它避免了材料在更大尺度下出现的那种机械缺陷，让研究人员能够制造出完美的晶体。

伯杰解释说:“通常情况下，材料都有其特有的缺陷尺寸。“如果你能把它做得非常小，那么典型的缺陷尺寸就会比你的结构大。”

把这些微小的细胞制造成晶格本身就是一种胜利——以前从来没有人用封闭的细胞板结构做过这种事。根据这项研究，在过去20年左右的时间里，最主要的纳米结构是更开放的圆柱形梁“桁架”系统。而且，尽管理论表明闭孔板的设计具有更高的强度，但迄今为止，无法制造闭孔板是证明这一点的主要障碍。

也许同样令人满意的是实验的下一阶段——粉碎纳米晶格。加州大学欧文分校(UC Irvine)的研究人员对不同密度的碳纳米板进行了压缩，以观察它们在破坏之前能够承受什么样的应力和应变。

结果呢?纳米级碳板Isomax™确实达到了其密度的刚度上限。碳板结构的强度比相同材料的同重梁纳米晶格强639%，硬522%。“这是第一个实验证据，证明平板架构优于现有的波束架构，”Bauer说。

Valdevit补充说:“碳纳米板的强度重量比超过了某些类型的块体金刚石，而块体金刚石是已知的强度重量比最高的块体材料。”Valdevit将基础材料和最佳的块体结构结合在一起。“没有其他的细胞材料曾经达到过这样的效果。”

这些结果提供了不容置疑的证据，证明像Isomax™这样的板式网格是未来的材料。

“让我兴奋的是，这是第一批证据中的一部分，非常好的证据，”伯杰说，他的超材料系统目前正在接受NASA的调查。“我们有世界级的加工专家和实验员，他们对我们的结构设计进行了制作和测试，然后证明它们基本上是最好的。“卓越的超材料设计的系统——一个八角桁架晶格巴克明斯特·富勒,数十年来一直选择空间机构的结构设计,但鉴于证明性能优越的立方+八隅体闭孔板系统,美国宇航局正在采取一个更仔细看看Isomax™。

“我是站在40多年来设计格子的人的肩膀上的，”伯杰说。“所以能参与到这个家族中来感觉真的很酷。”

这项研究的其他共同作者包括加州大学欧文分校的研究生卡梅伦·克鲁克和安娜·格尔·伊泽德，以及来自德国哈雷-威登堡的马丁·路德大学的研究人员。该项目由海军研究办公室和德国研究基金会资助。