想象一個(gè)沒(méi)有充滿(mǎn)輕氣體的氣球在你面前飄了起來(lái)。其實(shí)，它可能只是保持充盈狀態(tài)，但內(nèi)部卻是真空的。這樣一個(gè)真空氣球可以緩解世界氦氣短缺問(wèn)題。但其制作尚需一種輕巧靈活，在抽空氣體時(shí)強(qiáng)度足夠?qū)雇饨鐗毫Φ男虏牧稀?/span>
（圖片來(lái)源：Lucas Meza/Caltech）
這個(gè)結(jié)果表現(xiàn)了Greer實(shí)驗(yàn)室的三維陶瓷納米晶格在被壓縮了50%之后又得以恢復(fù)。順時(shí)針?lè)较颍瑥淖笾劣�，壓縮前的氧化鋁納米晶格在壓縮中，被完全壓縮時(shí)，在壓縮之后就恢復(fù)了原狀。
加州理工學(xué)院材料科學(xué)家Julia Greer 和她的同事正著力于開(kāi)發(fā)這種材料以及許多其他具有前所未有的組合性質(zhì)的材料。比如，他們可能開(kāi)發(fā)一種輕型熱絕緣材料，或者輕巧硬朗而不易碎的材料——它們各自都擁有相互矛盾的性質(zhì)。
Greer的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種制造新材料的方法，該法是利用固體在納米級(jí)別所顯現(xiàn)的特殊性質(zhì)。這些性質(zhì)均已在0.1納米精度下經(jīng)受測(cè)試。在《Science》雜志9月12日刊上發(fā)表的一篇論文中，加州理工學(xué)院的研究者解釋了他們是如何使用這種方法來(lái)制造一種空氣含量在99.9 %左右卻仍然十分硬的陶瓷，且該陶瓷在破碎率達(dá)50%的情況下還可恢復(fù)原狀。
“陶瓷一直被視作一種硬而脆的材料，”加州理工學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)系材料科學(xué)與力學(xué)教授Greer說(shuō)道，“而我們證明了這兩種性質(zhì)其實(shí)可以不同時(shí)存在。研究結(jié)果清楚表明如果你利用納米級(jí)的特性創(chuàng)造一些結(jié)構(gòu)，然后使用這些像LEGO一樣的納米結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)建更大的材料，你就可以獲得具有各種組合性質(zhì)的材料�？傊�，你只需設(shè)計(jì)出材料就可將它構(gòu)建出來(lái)。”
研究人員使用一種叫做雙光子光刻的激光直寫(xiě)技術(shù)在一種高分子材料中“寫(xiě)入”一個(gè)三維結(jié)構(gòu)，即通過(guò)激光光束的照射讓高分子發(fā)生局部交聯(lián)硬化。被激光照射過(guò)的部分材料會(huì)保持結(jié)構(gòu)完整而其他部分則會(huì)被溶解掉，只留下一個(gè)三維骨架。然后我們可以在這個(gè)骨架上涂覆一層薄薄的材料——該材料可以是金屬、合金、玻璃、半導(dǎo)體等等。之后，研究人員使用另一種方法將骨架中的高分子剝離出來(lái)，留下一個(gè)空心結(jié)構(gòu)。
這項(xiàng)技術(shù)前景無(wú)限，Greer說(shuō)道。鑒于許多材料都可以在這個(gè)骨架上堆積成型，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)光學(xué)、能源效率及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展十分有利。比如，我們可將它用于骨骼的再生，用生物相容性較好的材料制造骨架使細(xì)胞在其上增殖。
在近期工作中，Greer和她的學(xué)生使用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)了一種由重復(fù)的納米模型組成的三維納米晶格。在模型建立后，她們?cè)诟叻肿庸羌苌贤扛惨粚友趸X陶瓷材料（即鋁的氧化物），構(gòu)建出中空管狀的氧化鋁結(jié)構(gòu)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的厚度在5-60納米內(nèi)，管直徑在450-1380納米內(nèi)。
Greer的團(tuán)隊(duì)接下來(lái)準(zhǔn)備測(cè)試他們制造的各種納米晶格的力學(xué)性能。實(shí)驗(yàn)使用兩種不同的設(shè)備來(lái)檢驗(yàn)納米材料。他們猛烈擠壓或拉伸材料，總之使樣品發(fā)生變形以觀察其承受極限。
他們發(fā)現(xiàn)厚50納米、管徑1微米的氧化鋁結(jié)構(gòu)在壓縮時(shí)會(huì)發(fā)生破碎。這并不驚奇，陶瓷，尤其是多孔的陶瓷都很脆。然而，當(dāng)壓縮管壁厚與管徑的比例比較小的晶格時(shí)——管壁厚僅10納米——卻產(chǎn)生了非常不同的結(jié)果。
“你使它發(fā)生了變形，但是它卻突然彈了回來(lái)，”Greer說(shuō)道，“在某些情形中，我們能夠使這些樣品變形的比例達(dá)到85%，然后他們又恢復(fù)原狀。”
為了理解其作用機(jī)理，我們可以這樣考慮。像陶瓷、硅、玻璃一樣比較脆的材料由于充滿(mǎn)缺陷——比如空穴和雜質(zhì)——而易發(fā)生碎裂。材料越完美，你越不可能發(fā)現(xiàn)它結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)。因此，研究人員假定，當(dāng)你將結(jié)構(gòu)削弱到一定程度——即厚度僅10納米時(shí)，缺陷的數(shù)量和所有缺陷的尺寸都達(dá)到了最小化的狀態(tài)，整個(gè)結(jié)構(gòu)也最不可能失效。
“使用納米晶格的一個(gè)好處就是由于它的尺寸非常小，你可以有效改善材料的性能，”Greer說(shuō)道，“它幾乎是你所能獲得的最理想的材料，你只需極少量的材料制造出它們就可以獲得你想要的結(jié)果。”
Greer的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正積極尋找不同的方法來(lái)增加這些所謂的人工超材料（meta-materials）的產(chǎn)量。
