可能會有這樣一個氣球，它里面沒有充滿任何輕氣體，卻很充盈，在你面前能夠漂浮起來，但是內(nèi)部卻是真空的。這是科學家Greer的實驗結(jié)果，她的實驗室三維陶瓷納米晶格在被壓縮了50%之后又得以恢復。她和她的同事正著力于開發(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的團隊開發(fā)了一種制造新材料的方法，該法是利用固體在納米級別所顯現(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，加州理工學院的研究者解釋了他們是如何使用這種方法來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50%的情況下還可恢復原狀。

“陶瓷一直被視作一種硬而脆的材料，”加州理工學院工程與應用科學系材料科學與力學教授Greer說道，“而我們證明了這兩種性質(zhì)其實可以不同時存在。研究結(jié)果清楚表明如果你利用納米級的特性創(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。總之，你只需設計出材料就可將它構(gòu)建出來。”

研究人員使用一種叫做雙光子光刻的激光直寫技術在一種高分子材料中“寫入”一個三維結(jié)構(gòu)，即通過激光光束的照射讓高分子發(fā)生局部交聯(lián)硬化。被激光照射過的部分材料會保持結(jié)構(gòu)完整而其他部分則會被溶解掉，只留下一個三維骨架。然后我們可以在這個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，留下一個空心結(jié)構(gòu)。

這項技術前景無限，Greer說道。鑒于許多材料都可以在這個骨架上堆積成型，該項技術對光學、能源效率及生物醫(yī)學領域的技術發(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胞在其上增殖。

在近期工作中，Greer和她的學生使用該項技術生產(chǎn)了一種由重復的納米模型組成的三維納米晶格。在模型建立后，她們在高分子骨架上涂覆一層氧化鋁陶瓷材料（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的團隊接下來準備測試他們制造的各種納米晶格的力學性能。實驗使用兩種不同的設備來檢驗納米材料。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)在壓縮時會發(fā)生破碎。這并不驚奇，陶瓷，尤其是多孔的陶瓷都很脆。然而，當壓縮管壁厚與管徑的比例比較小的晶格時——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，”Greer說道，“在某些情形中，我們能夠使這些樣品變形的比例達到85%，然后他們又恢復原狀。”

陶瓷、硅、玻璃這些都是比較脆的材料，因為充滿了空穴和雜質(zhì)，因此極易發(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。因此，研究人員假定，當你將結(jié)構(gòu)削弱到一定程度——即厚度僅10納米時，缺陷的數(shù)量和所有缺陷的尺寸都達到了最小化的狀態(tài)，整個結(jié)構(gòu)也最不可能失效。納米晶格的尺寸非常小，可以有效改善材料的性能，并且只需極少量的材料就可以制造出，獲得想要的結(jié)果。