一種新超材料令人難以置信,比最薄的塑料還要輕薄,卻是鋼鐵強度的10倍。它從獨特的幾何構造獲得如此驚人的性能。

美國麻省理工學院研究人員表示,新材料將石墨烯壓扁並融合在一起,成為一個巨大的蛛網般輕盈的網狀結構。蓬鬆的結構幾乎完全中空,看起來像迷幻的海洋生物,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,秘密來自這些原子的排列方式。材料科學家馬庫斯.比埃勒說:「你能用任何材料去替換,幾何結構才是主導因素,這種能力可應用到許多材料上。」

由碳原子構成的片狀材料石墨烯是地球上最堅固的物質,但限於二維片材。僅是原子厚度的超薄石墨烯片材具有獨特的導電性能和極高的強度。但這些屬性很難轉換到用於構建物體的三維形狀。

先前的研究表明,以特定方式排列石墨烯原子可增強三維形態的強度。但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。為克服這一困難,研究人員從原子層面分析結構,並創建數學模型,然後用精確定量的熱量和壓力製造出美國太空總署科學家1970年首次用數學方式描述的納米微結構螺旋24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。自然界中的珊瑚和矽藻等海洋生物也利用表面積與體積的高比例,在微小尺度上獲得令人難以置信的高強度。未來可望由螺旋結構混凝土製成大型超強、超輕的橋樑,並因材料的中空性質隔絕冷熱。

但研究人員稱,製造超材料的障礙是缺乏工業製造能力。比埃勒說:「用傳統製造方法製造它們幾乎不可能。」不過仍有許多方法可更大規模地生產這些超材料,如通過化學氣相沉積法在基底塗覆石墨烯,再用化學或物理技術剝離基底,生成錯綜複雜的石墨烯螺旋結構。◇