美研製出堅固輕質的奈米陶瓷
- 發佈時間：2014-09-16 07:51:50 來源：科技日報 責任編輯：羅伯特
科技日報訊 據美國麻省理工學院（MIT）《技術評論》雜誌近日報道，美國科學家研製出了一種新的陶瓷材料，由奈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的材料之一，如果他們能想到方法大規模製造出此類物質，那麼，它可以被用來製造飛機、卡車以及電池的電極，研究發表在最新一期的《科學》雜誌上。
由加州理工學院的材料科學家茱莉亞·格裏爾領導的研究團隊發現，通過對奈米材料的支桿和節點進行認真地設計，他們能製造出陶瓷、金屬和其他壓碎後能恢復的材料，就像海綿一樣。這種材料不僅堅固而且輕質，可以像羽毛一樣漂浮在空中。
傳統材料的強度、重量以及密度緊密相關，比如，陶瓷很堅固，但也很重，因此，它們不能被用來製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，無法復原。
但奈米世界並不遵循這一規則。在奈米尺度下，陶瓷的結構和力學屬性與其重量等屬性的聯繫變得不那麼密切，而且，其屬性可以被精確地修改。格裏爾説：“對陶瓷來説，越小越堅固。”這意味著由陶瓷材料製成的奈米尺度的構架可以兼顧輕質與堅固。
2011年，格裏爾與其他科學家攜手製造出了有史以來最輕質的材料之一：一種由中空的金屬管製成的微網格。現在，她更上一層樓，製造出了擁有同樣屬性的陶瓷，這些材料由一些被調諧得非常好的結構製成，因此，很難製造出來。
為了製造出陶瓷奈米支架，格裏爾團隊使用一種名為雙光子干涉光刻（相當於成本極低的3D鐳射列印技術）的技術，首先，他們用這一方法，使用聚合物製造出了所需的結構-網格，接著，用氧化鋁等陶瓷將聚合物包裹起來，隨後，再用氧電漿體對其進行蝕刻，最終只留下中空的陶瓷管網格。
格裏爾團隊證明，通過改變管壁的厚度，可以很好地對材料是否容易破碎進行控制。當管壁很厚時，陶瓷會在壓力下粉碎，和我們想像的一樣，但當管壁僅為10奈米厚時，材料在壓力下也會彎曲，但隨後會恢復其形狀。
研究人員表示，這種新材料或許非常適合用做製造電池的原料。奈米結構擁有很大的表面積，而且非常輕質，這兩點結合起來，可以製造能快速充放且能容納很多能源的電池。實際上，格裏爾表示，她正在與德國博世公司攜手將最新設計應用在鋰離子電池的製造過程中。（劉霞）
