圖1. 鋼鐵俠MK3戰甲的內層蜂窩狀防護結構

過去，人類使用的抗沖擊防爆材料主要由鋼、鐵和鋁等沉重的金屬構成。多年以來，科學家們一直在研制更輕、功能性更強的抗撞擊防爆材料。其中，最出名的當屬美國杜邦（DuPont）公司研制的凱夫拉（Kevlar）纖維。Kevlar 纖維的抗拉性能極佳，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，而且不會像鋼鐵般與氧氣和水產生銹蝕。然而，Kevlar 也存在一些弱點，比如在堿性環境下或暴露于氯及紫外線下時，會逐漸被分解。納米結構材料由圖案化的納米級結構組成，根據其排列方式，這些結構可以賦予材料獨特的彈性和超輕特征。因此，納米結構材料可能成為更輕、更堅固的抗沖擊材料。近日，來自麻省理工學院和加州理工的研究團隊研發出一款可抵抗超音速微粒 " 子彈 " 撞擊的神奇材料，有望成為Kevlar纖維的理想替代品。據悉，這款材料由精確圖案化設計的超輕納米碳纖維組成，不僅比人頭發絲直徑還薄，而且具有超強的韌性和機械強度，可以抵抗超音速的微粒“子彈”（見視頻）！如果在工業上實現大規模生產，這款材料將有望大幅度提升輕質裝甲、防護涂層、防爆盾牌和其他抗沖擊裝備的總體性能。

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

激光打印圖案化結構，碳化后秒變彈性納米碳材料

為了研究快速變形條件（如高速撞擊）下的納米結構材料，研究團隊選擇在納米單位上重復打印一種復雜的十四面體結構。這種結構通常出現在減震泡沫中，研究人員想知道：如果許多這樣的多面體可以被塞進一個小空間并相互連接，是否會成為一種有效的減震器。

圖2. 超輕的納米結構碳材料

雙光子光刻（two-photon lithography）是目前領先的一種激光 3D 打印技術，可以用高功率激光固化光敏樹脂的微觀結構，從而將打印分辨率提高到難以置信的精度。研究人員使用雙光子光刻技術來打印這種納米結構材料（圖3）。首先在納米尺度上通過重復模式，構建了十四面體——一種由微觀支柱組成的晶格結構；在對晶格結構進行圖案化后，研究人員洗掉了剩余的樹脂并將其放入高溫真空爐中，將聚合物轉化為碳，從而生產出超輕的納米結構碳材料。

圖3. 納米結構碳材料的制備及微粒撞擊實驗裝置示意圖。

據了解，之所以選擇在納米級碳材料中復制這種類似泡沫的結構，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沖擊性。雖然碳材料通常是易碎的，但是該材料在受到撞擊時能夠像橡膠一樣彎曲。能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，研究團隊使用激光誘導粒子沖擊測試進行了微粒撞擊實驗（圖3f）。首先，他們用超快激光對準了涂有金薄膜的載玻片，該載玻片本身在金薄膜外還覆蓋著一層 14 微米厚的二氧化硅微粒。當激光穿過玻片時其產生的等離子體可以將二氧化硅微粒沿著激光的方向急速推進。當激光穿過載玻片時，它會產生等離子體，或從金中快速膨脹的氣體，將氧化硅顆粒沿著激光的方向急速推進。這導致微粒向目標快速加速。在實驗過程中，研究人員通過調整激光的功率來控制微粒“子彈”的速度，微粒子速度的范圍從 40 m/s到超音速的 1100?m/s不等（手槍,一般口徑4.5mm-9mm,子彈出口速度一般300-500m/秒,有效射程10-50米。?步槍,一般口徑5.5-7.62 mm,子彈出口速度大約700-800米/秒,有效射程可達1000米）。隨后，研究人員使用高速攝像機，捕捉到了微粒與納米結構碳材料碰撞的畫面（圖4）。

圖4. 微粒撞擊的過程及其對材料結構的影響

值得一提的是，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。納米結構碳材料的密度越大，彈性越強，可吸收的能量越多進一步研究發現，納米結構碳材料的密度越大，碳結構的彈性越強，它們會很好的吸收沖擊力，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，研究人員仔細地切開嵌入的微粒和材料，發現在嵌入微粒正下方的區域中，微觀支柱和梁在撞擊時已經皺縮并壓縮，但周圍的結構仍然完好無損。

圖5. 微粒撞擊納米結構碳材料后，嵌入材料內部的剖面圖

對此，論文的通訊作者、加州理工大學教授 Julia R.Greer 表示：" 從這項實驗中獲得的數據可以為超輕型抗沖擊材料、高效裝甲材料、防護涂層和防爆盾牌提供靈感。"同時，該研究的主要作者、麻省理工學院機械工程助理教授Carlos Portela 說：" 我們的研究證明，相較于致密和整體式的結構來說，這種由十四面體構造的納米材料可以吸收大量能量。"而且，?“與相同質量的凱夫拉纖維相比，相同質量的材料在阻止彈射方面的效率要高得多。如果大規模生產，這種材料和其他納米結構材料可能會被設計為更輕、更堅固的凱夫拉纖維和鋼的替代品。展望未來，Portela 表示該框架可用于預測其他納米結構材料的沖擊彈性，團隊成員還將繼續探索各種納米結構以及除了碳以外的其他材料。Portela 表示：" 納米結構材料很有希望成為新的抗沖擊材料。然而我們對它們還有很多不了解的地方，我們開始著手回答這些問題，并將為它的廣泛應用打開大門。"

參考文獻：Portela, C.M., Edwards, B.W., Veysset, D. et al. Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. (2021). //doi.org/10.1038/s41563-021-01033-z