科学家新设计出一种比钻石更坚固的碳纳米结构

（文章来源：量子认知）

我们许多人都知道钻石，它是一种由碳元素组成的矿物。它是自然界中天然存在的最坚硬的物质。在工业上它主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，故又称为金刚钻或金刚石。形状完整的金刚石经过打磨，称为钻石，可用于制造高档饰品，价格非常昂贵。目前世界上最昂贵的高档钻石从几千万到几亿美元，还有两颗是无价之宝。

尽管钻石具有极其独特的魅力，但它仅仅是碳的一种特殊形式，或称同素异形体。同素异形体，是指由同一种化学元素组成，而结构形态却不相同的单质。同素异形体由于结构不同，物理性质与化学性质上也有差异。碳元素的同素异形体，即由纯碳元素所能构成的各种不同的分子结构。包括如下图所示的八种碳的同素异形体：a) 钻石、b) 石墨、c) 蓝丝黛尔石、d) C60 (富勒烯)、e) C540、f) C70 富勒烯(C70)、g) 无定形碳、和 h) 单层碳纳米管等。

它们都是由碳原子组成的，但是它们之间原子键的类型不同，这导致了不同的材料结构和性能。钻石为什么是目前已知最硬的天然物质？是因为钻石的碳元素构成的晶体的碳原子的空间结构是正四面体形，原子间以共价键结合，是一种非常稳定的结合方式。

最近，美国加利福尼亚大学尔湾分校的科学家们在结构上设计了一种板状纳米级碳结构材料，其强度与密度之比比金刚石还强。他们的研究成果发表在最近的《自然通讯》上。研究人员成功设计和制造了壁厚约160纳米的闭孔板状纳米晶格结构材料，该材料由紧密连接的闭孔板代替了过去几十年来这种结构中常见的圆柱形桁架组成。研究表明，这种排列达到了多孔材料强度和刚度的理论极限。

该大学机械与航空航天工程研究人员、论文作者延斯·鲍尔（Jens Bauer）说：“以前的基于波束的设计虽然引起了人们的极大兴趣，但在机械性能方面并没有那么有效。” “我们创造的这种新型的板式纳米纤维比最佳的束式纳米纤维要强得多、也要更坚硬得多。”该论文指出，所设计研制的材料已显示出可将圆柱梁型体系结构的平均性能提高多达639％的强度和522％的刚性。

该大学材料科学与工程学以及机械与航空航天工程学教授洛伦佐·瓦尔德维特（Lorenzo Valdevit）建筑材料实验室的使用尔湾材料研究所提供的扫描电子显微镜和其他技术验证了他们的发现。论文第一作者、该大学材料科学与工程专业的研究生、卡梅伦·克鲁克（Cameron Crook）说：“科学家们预测，以板状设计排列的纳米晶格会非常坚固。” “但是以这种方式制造结构特别地困难，直到我们成功做到这一理论，该理论才被证明。”

研究人员说，该研究成就的关键取决于复杂的3D激光打印工艺，称为双光子聚合直接激光写入（two-photon lithography direct laser writing）。当激光聚焦在对紫外线敏感的液态树脂的液滴内部时，随着紫外线敏感树脂的逐层添加，分子同时被两个光子撞击，该材料在两个光子会合的位置变成固态聚合物。通过扫描激光或在三个维度上移动载物台，该技术能够对该细微结构进行周期性排列，每个细微结构由厚度为160纳米的平板组件组成。

该研究的一项创新还包括在板上的小孔，这样的小孔可用于从成品材料中去除多余的树脂。作为最后一步，晶格经过热解，在真空中将其加热到900摄氏度一小时。最终结果是形成了立方形状的碳结构，科学家们认为这种多孔材料具有最高的强度。

这项研究的另一个目标和成就是利用基础物质的固有机械作用。研究人员说：“当您使用任何一种材料并将其尺寸显着减小到100纳米时，它就会接近理论上没有孔或裂纹的晶体。减少这些缺陷会增加系统的整体强度。”

该大学设计与制造创新研究所所长、研究主导作者、瓦尔德维特（Valdevit）补充说：“以前没有人将这些结构与材料联系起来。” “我们是第一个通过实验验证其性能与预期相符的小组，同时还展示了具有前所未有的机械强度的结构材料。”这种碳纳米晶体结构对结构工程师，特别是在航空航天领域，具有广阔的前景，因为人们希望它们的强度和低质量密度的结合将大大提高飞机和航天器的性能。
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