一種新的超材料令人難以置信的輕薄,比最薄的塑料還要輕薄,卻是鋼鐵堅固度的10倍。這種新材料從其獨特的幾何構造獲得如此驚人的力量。

研究人員說,這種新材料是將石墨烯壓扁並融合在一起,成為一個巨大的、蛛網一般輕盈的網狀結構。蓬鬆的結構幾乎完全中空,看起來有點像一個迷幻的海洋生物,其密度僅為普通石墨烯的5%。

雖然研究人員使用的原料為石墨烯,但超材料看似神奇的性質並不完全取決於所使用的原子,秘密來自這些原子排列的方式。

麻省理工學院(MIT)材料科學家比埃勒(Markus J. Buehler)說:「你可以用任何材料去替換,幾何結構才是主導因素,這種能力可以應用到許多材料上。」

由碳原子構成的片狀材料石墨烯是地球上最堅固的物質,但是限於二維片材。僅僅是原子厚度的超薄石墨烯片材具有獨特的電性能和極高的強度。但是,這些屬性很難轉換到用於構建物體的3維形狀。

先前研究表明,以特定的方式排列石墨烯原子可以增強三維形態的強度。然而,當研究人員在實驗室中製造這些材料時,結果通常比理論預期弱上幾百或幾千倍。

為了克服這一困難,研究人員從原子層面分析結構,並創建了數學模型,預測如何創建非常強的超材料。然後,研究人員使用精確定量的熱量和壓力製造出被稱為螺旋二十四面體(Gyroids)的錯綜複雜的結構。美國宇航局的科學家首次在1970年用數學方式描述了這種奈米微結構螺旋二十四面體。

這種超材料的高強度來自其巨大的表面積與體積之比,在自然界中,珊瑚和矽藻等海洋生物也利用大的表面積與體積比,在微小尺度上獲得令人難以置信的高強度。

比埃勒說:「使用傳統的製造方法製造它們幾乎是不可能的。」 研究人員說,製造這些超強材料的一個障礙是缺乏工業製造能力。不過有許多方法可以更大規模地生產這些超強材料。比如通過化學氣相沉積方法在基底上塗覆石墨烯,再用化學或物理技術剝離掉基底,生成石墨烯螺旋結構。

在未來,可以由螺旋結構混凝土製成大型超強、超輕的橋樑,並且因為材料的中空性質會絕熱絕冷。◇