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美研制出堅(jiān)固輕質(zhì)的納米陶瓷

發(fā)布:2014-9-16 9:01:59  來源: 科技日報(bào) [字體: ]

 科技日報(bào)訊 據(jù)美國麻省理工學(xué)院(MIT)《技術(shù)評(píng)論》雜志近日報(bào)道,美國科學(xué)家研制出了一種新的陶瓷材料,由納米支桿相互交錯(cuò)而形成。研究人員表示,這是有史以來最堅(jiān)固且最輕質(zhì)的材料之一,如果他們能想到方法大規(guī)模制造出此類物質(zhì),那么,它可以被用來制造飛機(jī)、卡車以及電池的電極,研究發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上。

  由加州理工學(xué)院的材料科學(xué)家茱莉亞·格里爾領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),通過對納米材料的支桿和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)真地設(shè)計(jì),他們能制造出陶瓷、金屬和其他壓碎后能恢復(fù)的材料,就像海綿一樣。這種材料不僅堅(jiān)固而且輕質(zhì),可以像羽毛一樣漂浮在空中。

  傳統(tǒng)材料的強(qiáng)度、重量以及密度緊密相關(guān),比如,陶瓷很堅(jiān)固,但也很重,因此,它們不能被用來制造重量非常重要的物件,比如,汽車車身。而且,一旦陶瓷被打碎,它們就像玻璃一樣,粉身碎骨,無法復(fù)原。

  但納米世界并不遵循這一規(guī)則。在納米尺度下,陶瓷的結(jié)構(gòu)和力學(xué)屬性與其重量等屬性的聯(lián)系變得不那么密切,而且,其屬性可以被精確地修改。格里爾說:“對陶瓷來說,越小越堅(jiān)固。”這意味著由陶瓷材料制成的納米尺度的構(gòu)架可以兼顧輕質(zhì)與堅(jiān)固。

  2011年,格里爾與其他科學(xué)家攜手制造出了有史以來最輕質(zhì)的材料之一:一種由中空的金屬管制成的微網(wǎng)格,F(xiàn)在,她更上一層樓,制造出了擁有同樣屬性的陶瓷,這些材料由一些被調(diào)諧得非常好的結(jié)構(gòu)制成,因此,很難制造出來。

  為了制造出陶瓷納米支架,格里爾團(tuán)隊(duì)使用一種名為雙光子干涉光刻(相當(dāng)于成本極低的3D激光打印技術(shù))的技術(shù),首先,他們用這一方法,使用聚合物制造出了所需的結(jié)構(gòu)-網(wǎng)格,接著,用氧化鋁等陶瓷將聚合物包裹起來,隨后,再用氧等離子體對其進(jìn)行蝕刻,最終只留下中空的陶瓷管網(wǎng)格。

  格里爾團(tuán)隊(duì)證明,通過改變管壁的厚度,可以很好地對材料是否容易破碎進(jìn)行控制。當(dāng)管壁很厚時(shí),陶瓷會(huì)在壓力下粉碎,和我們想象的一樣,但當(dāng)管壁僅為10納米厚時(shí),材料在壓力下也會(huì)彎曲,但隨后會(huì)恢復(fù)其形狀。

  研究人員表示,這種新材料或許非常適合用做制造電池的原料。納米結(jié)構(gòu)擁有很大的表面積,而且非常輕質(zhì),這兩點(diǎn)結(jié)合起來,可以制造能快速充放且能容納很多能源的電池。實(shí)際上,格里爾表示,她正在與德國博世公司攜手將最新設(shè)計(jì)應(yīng)用在鋰離子電池的制造過程中。(劉霞)

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