近年來隨著科技的發(fā)展特別是航空航天技術的突飛猛進，超輕超硬材料已經(jīng)成為了業(yè)內(nèi)材料科學和固體力學領域研究的熱點。如何實現(xiàn)材料同時具有超輕量、高強度、大變形、抗沖擊及缺陷不敏感等優(yōu)異性能是現(xiàn)代材料設計和制造的一個巨大挑戰(zhàn)。

對這一問題的挑戰(zhàn)，科學家們選擇了一種十四面體的力學性能由彎曲行為主導的基礎結構。具有此種結構的復合納米點陣超材料在受到撞擊時可以吸收大量能量，而不容易發(fā)生災難性的斷裂。

今年，麻省理工、加州理工和蘇黎世聯(lián)邦理工學院合作，在高影響因子科學期刊 Nature Materials上發(fā)表了“Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon”的研究論文。在論文中，研究者利用德國Nanoscribe公司的雙光子3D打印系統(tǒng)Photonic Professional GT研發(fā)了一種可抵擋超音速微粒 “Bullet” 撞擊的力學超材料。這種厚度比人類頭發(fā)絲直徑還要小的材料由精心設計加工的碳纖維微納米點陣構成，如果在工業(yè)上實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，將有望大大提升飛行器、輕質(zhì)裝甲、防護涂層、以及其它超輕超硬抗沖擊裝備的總體性能。

誕生于享有 “歐洲麻省理工學院” 稱號的卡爾斯魯厄理工大學的Nanoscribe公司，作為球高精度3D打印設備的生產(chǎn)公司，一直專注于推動力學超材料、微納機器人及微機電、生物醫(yī)學工程和微納光學等創(chuàng)新領域的研究，同時致力于為大學的科研群體提供各類優(yōu)化制程方案。

科學家們在確定了材料的幾何結構后，本文作者們使用Nanoscribe雙光子光刻技術（two-photon lithography）進行打印。簡單來說，雙光子光刻基于非線性光學原理，是目前精度高的激光 3D 打印技術。普通的基于單光子的3D 激光打印技術的分辨率易受光學分辨率及層間位移機械誤差的影響而精度較低，而雙光子光刻技術利用高能飛秒激光脈沖在極小的空間范圍內(nèi)固化光敏樹脂，從而將打印分辨率提高到難以置信的百納米級精度。

打印完成后，材料被放入高溫真空爐中熱解，熱解后的聚合物被碳化，從而生產(chǎn)出超輕的碳納米點陣材料。雖然碳材料通常是易碎的，但是論文中設計的十四面體的晶格結構的力學行為由彎曲而非斷裂主導，從而賦予了這種材料*的彈性和抗沖擊性。這種材料在受到撞擊時可以像橡膠一樣彎曲。

對此，加州理工大學材料科學、力學和醫(yī)學工程教授 Julia R. Greer 表示： “從這項實驗中獲得的數(shù)據(jù)可以為超輕型抗沖擊材料、高效裝甲材料、防護涂層等提供靈感。”

兼顧微觀和宏觀的高精度3D無掩膜光刻系統(tǒng)Photonic Professional GT2使用雙光子聚合(2PP)來產(chǎn)生幾乎任何3D形狀：晶格、木堆型結構、自由設計的圖案、順滑的輪廓、銳利的邊緣、表面的和內(nèi)置倒扣以及橋接結構。為了實現(xiàn)高速打印并獲得出色微納加工效果，Nanoscribe打印系統(tǒng)所配備的多種動態(tài)高精度打印模式（Dynamic Precision Printing modes ，DPP）都能做到精準調(diào)整。使用DeScribe-我們的打印制備軟件，能實現(xiàn)自定義模式以滿足您的設計要求的特定需求。

增材制造革命性的重新定義了物件的生產(chǎn)制造方式。在微納米尺度上，Nanoscribe基于雙光子聚合技術的增材制造手段加工精度*，幾乎可以滿足任何形狀物件的3D加工。無論結構的簡單還是復雜，Nanoscribe自動化三維無掩模光刻工藝均可做到所需器件的一步加工成型，甚至對于復雜的生物器官組織的加工也是如此，真正做到了所見即所得。

展望未來，研究人員們表示還將繼續(xù)探索各種碳納米點陣結構以及其他材料的點陣結構。作者們也希望碳納米點陣結構材料能夠取代Kevlar纖維成為新一代的超輕抗沖擊吸能材料。本文的主要合作對象——清華大學的李曉雁研究團隊，長期從事新型微納米結構材料力學研究，是國際以及國內(nèi)相關研究領域*的帶頭人之一。

歡迎閱讀原文獻：

Portela, C.M., Edwards, B.W., Veysset, D. et al. Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. 20, 1491–1497 (2021).

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