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惊奇“超材料”:从可编程橡胶到能复原弹性陶瓷

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-02-19  浏览次数:942
 
   贝尔托蒂教授目前正在研制一种金属超材料,可用于提升发动机零件的性能


     
拥有可编程硬度的橡胶板

新的陶瓷设计使用了晶格点阵技术,看起来非常像埃菲尔铁塔

一块很小的蜂窝状材料将圆柱体隐藏起来,让其无法被手指感觉到
 
    “超材料”是一类拥有特殊性质、自然界中并不存在的人造材料。物理学家和材料科学家正在对“超材料”的各种令人惊叹的奇异性质进行研究,力争发掘它们在生活中的各种可能的应用。

  现在,对很多科学家来说,通过弯曲材料的结构来改变其外观已经是“小菜一碟”,科学家们接下来打算改变材料的力学性质。

  在美国物理学会今年举办的一次会议上,来自世界各地的科学家们重点讨论了一些“超材料”的最新例子,其中包括弹性陶瓷、无法被感知的斗篷以及可编程的橡胶海绵等。科学家们表示,这些新型“超材料”的出现,将有助于他们建造能更好隔热的宇宙飞船防护瓦,乃至研制出对地形敏感的鞋子。

  德国卡尔斯鲁厄理工学院的马丁·魏格纳教授近日接受英国广播公司采访时说:“我认为‘超材料’这一概念已经慢慢渗入多个领域。这一技术最初在电磁学领域引发了轰动,接着长驱直入,进入包括热力学在内的多个领域,最近又开始在力学领域掀起狂澜。”

  魏格纳教授称,“超材料”这个词语几乎用于指代所有怪异且新奇的设计,但其实,它通常指一种材料拥有最初的组成部分所不具备的属性和特征。

  无法被感知的斗篷

  魏格纳教授正在研究斗篷,但他的目标不是使事物隐形,而是使事物不受物理作用力的影响。去年,他的实验室制造出了一种蜂窝状材料,可以使其包裹的物体无法被人感觉到。

  这种特别的“超材料”是一种行为在某些方面与液体类似的固体晶格,能够使外部施加的压力发生偏移。

  在演示中,这种斗篷可以将一个直径不足1毫米的小圆柱体隐藏起来,让其无法被人的手指感觉到。法国物理学家和工程师们也采纳了魏格纳教授的研究,他们已经通过实验证明,一种小心翼翼的钻孔方法可以转移破坏性较强的地震波动。这意味着,将地面本身变成某种超材料,能保护发电站免遭地震带来的破坏。

  在这次年会上,魏格纳教授展示了他的最新研究成果,包括一种可以使平板中心的小洞无法被感知的斗篷用于遮挡洞口。魏格纳说:“这是一种设计原则,可以应用于很多地方。”

  能感应地形的鞋子

  荷兰莱顿大学的博士研究生巴斯蒂安·弗洛林也在此次年会上展示了他的最新研究成果,他称之为“有史以来第一种在力学上可编程的材料”。

  从外观上来看,这是一种几乎没有任何技术含量的橡胶板,上面有很多洞洞。但是,这些有两个尺寸的洞洞都是经过特别设计的,可以在纵向或横向进行压缩,这种方向上的改变通过增加一个小夹子来操控。因此,最终得到了一个超大号的海绵,其可硬可软,或者介于两者之间。

  弗洛林表示,如果这种海绵在转化到更软的过程中,仍然受到某些压力,也就是所谓的“负刚度”,那么,就会出现一种很奇特的性质,但目前他还未能为此找到用武之地。

  不过,弗洛林指出,这种橡胶板的另一个特征可能会大有用途:它们能吸收能量。他解释说:“想像一下,你能借此制造出可编程的汽车保险杠,如果在有很多小朋友的地方驾驶,你可能会希望保险杠更柔软一点;而如果在高速公路上快速驾驶,你会希望它更硬一点。”

  目前,弗洛林和同事正在同制鞋企业进行磋商,希望据此研制出可根据不同地形进行调节的鞋子。

  耐击的发动机零件

  美国哈佛大学的凯蒂娅·贝尔托尔迪在研究一种类似的奇特弹性材料,其拥有负的“泊松比(横向变形系数)”,这意味着当你压缩该材料时,它会从各个方向进行收缩,而非像普通材料那样侧面被挤压出去,变得更平更宽。当这种材料被拉伸时,它也会向各个方向扩展。贝尔托尔迪教授的研究团队已经为这种材料开发出了不同的有用性能,包括在受挤压时能吸收不同频率的声音等等。

  “泊松比”也会影响金属的疲倦程度,因此,贝尔托尔迪正在同劳斯莱斯公司合作设计具有复杂狭缝结构的发动机零件,这种零件可以经受很多次压缩循环。贝尔托尔迪表示,为了获得独一无二的特性,“我们要么研制复杂的零件;要么使用简单的零件但采用特别的方式进行组合。”

  能复原的弹性陶瓷

  加州理工学院科研团队制造出了一种非常小且与以往迥然不同的陶瓷,其空气含量在99.9%左右,却仍十分坚硬,且该陶瓷在破碎率达50%的情况下还可恢复原状。

  研究人员使用一种叫做双光子光刻的激光直写技术,在一种高分子材料中“写入”一个三维结构,即通过激光光束的照射让高分子发生局部交联硬化。被激光照射过的部分材料会保持结构完整,而其他部分则会被溶解掉,只留下一个三维骨架。然后他们在这个骨架上涂覆一层薄薄的材料——金属、合金、玻璃、半导体等等,之后使用另一种方法将骨架中的高分子剥离出来,留下一个空心结构。

  研究人员表示,这项技术前景无限。鉴于许多材料都可以在这个骨架上堆积成型,该项技术对光学、能源效率及生物医学领域的技术发展十分有利。比如,我们可将它用于骨骼的再生,用生物相容性较好的材料制造骨架使细胞在其上增殖。

  在模型建立后,研究人员在高分子骨架上涂覆一层氧化铝陶瓷材料,构建出中空管网状的氧化铝结构,整个结构的厚度为5纳米到60纳米,管直径在450纳米到1380纳米内,而且,整个网络比一张纸还薄。接下来,研究人员对他们制造的各种纳米晶格的力学性能进行了测试,猛烈挤压或拉伸材料,总之使样品发生变形以观察其承受极限。他们发现,厚50纳米、管径1微米的氧化铝结构在压缩时会发生破碎。然而,当压缩管壁厚与管径的比例比较小的晶格时,也就是当管壁厚仅10纳米时,却产生了非常不同的结果。研究人员说:“你使它发生了变形,但它却突然弹了回来,在某些情况下,我们能使这些样品变形的比例达到85%,但之后它们又恢复原状。”

  研究人员解释道,像陶瓷、硅、玻璃一样比较脆的材料由于充满缺陷(比如空穴和杂质)而易发生碎裂。材料越完美,你越不可能发现它结构的缺点。但是,当将结构削弱到一定程度即厚度仅10纳米时,缺陷的数量和所有缺陷的尺寸都达到了最小化的状态,整个结构也最不可能失效。

  参与研究的卢卡斯·梅扎表示,尽管如此,他们目前制造出的材料还太小,因此并没有实际用途,不过,随着投资的不断增加,这种陶瓷能找到用武之地,尤其能在“普通物质无能为力的地方大显身手”,例如,航天飞机或者喷气式发动机,或许更愿意使用陶瓷防护瓦而非金属罩来隔热的设备。

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