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神奇的“超材料”
2015年04月07日 發布 分類:技術前沿 點擊量:3842
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    “超材料”是一類擁有特殊性質、自然界中并不存在的人造材料。物理學家和材料科學家正在對“超材料”的各種令人驚嘆的奇異性質進行研究,力爭發掘它們在生活中的各種可能的應用。


       現在,對很多科學家來說,通過彎曲材料的結構來改變其外觀已經是“小菜一碟”,科學家們接下來打算改變材料的力學性質。


       在美國物理學會今年3月舉辦的一次會議上,來自世界各地的科學家們重點討論了一些“超材料”的最新例子,其中包括彈性陶瓷、無法被感知的斗篷以及可編程的橡膠海綿等。科學家們表示,這些新型“超材料”的出現,將有助于他們建造能更好隔熱的宇宙飛船防護瓦,乃至研制出對地形敏感的鞋子。


       德國卡爾斯魯厄理工學院的馬丁·魏格納教授近日接受英國廣播公司采訪時說:“我認為‘超材料’這一概念已經慢慢滲入多個領域。這一技術最初在電磁學領域引發了轟動,接著長驅直入,進入包括熱力學在內的多個領域,最近又開始在力學領域掀起狂瀾。”


       魏格納教授稱,“超材料”這個詞語幾乎用于指代所有怪異且新奇的設計,但其實,它通常指一種材料擁有最初的組成部分所不具備的屬性和特征。


       1、無法被感知的斗篷


       魏格納教授正在研究斗篷,但他的目標不是使事物隱形,而是使事物不受物理作用力的影響。去年,他的實驗室制造出了一種蜂窩狀材料,可以使其包裹的物體無法被人感覺到。


一塊很小的蜂窩狀材料將圓柱體隱藏起來,讓其無法被手指感覺到


       這種特別的“超材料”是一種行為在某些方面與液體類似的固體晶格,能夠使外部施加的壓力發生偏移。


       在演示中,這種斗篷可以將一個直徑不足1毫米的小圓柱體隱藏起來,讓其無法被人的手指感覺到。法國物理學家和工程師們也采納了魏格納教授的研究,他們已經通過實驗證明,一種小心翼翼的鉆孔方法可以轉移破壞性較強的地震波動。這意味著,將地面本身變成某種超材料,能保護發電站免遭地震帶來的破壞。


       在這次年會上,魏格納教授展示了他的最新研究成果,包括一種可以使平板中心的小洞無法被感知的斗篷用于遮擋洞口。魏格納說:“這是一種設計原則,可以應用于很多地方。”


       2、能感應地形的鞋子


       荷蘭萊頓大學的博士研究生巴斯蒂安·弗洛林也在此次年會上展示了他的最新研究成果,他稱之為“有史以來第一種在力學上可編程的材料”。


擁有可編程硬度的橡膠板


       從外觀上來看,這是一種幾乎沒有任何技術含量的橡膠板,上面有很多洞洞。但是,這些有兩個尺寸的洞洞都是經過特別設計的,可以在縱向或橫向進行壓縮,這種方向上的改變通過增加一個小夾子來操控。因此,最終得到了一個超大號的海綿,其可硬可軟,或者介于兩者之間。


       弗洛林表示,如果這種海綿在轉化到更軟的過程中,仍然受到某些壓力,也就是所謂的“負剛度”,那么,就會出現一種很奇特的性質,但目前他還未能為此找到用武之地。


       不過,弗洛林指出,這種橡膠板的另一個特征可能會大有用途:它們能吸收能量。他解釋說:“想像一下,你能借此制造出可編程的汽車保險杠,如果在有很多小朋友的地方駕駛,你可能會希望保險杠更柔軟一點;而如果在高速公路上快速駕駛,你會希望它更硬一點。”


       目前,弗洛林和同事正在同制鞋企業進行磋商,希望據此研制出可根據不同地形進行調節的鞋子。


        3、耐擊的發動機零件


       美國哈佛大學的凱蒂婭·貝爾托爾迪在研究一種類似的奇特彈性材料,其擁有負的“泊松比(橫向變形系數)”,這意味著當你壓縮該材料時,它會從各個方向進行收縮,而非像普通材料那樣側面被擠壓出去,變得更平更寬。當這種材料被拉伸時,它也會向各個方向擴展。貝爾托爾迪教授的研究團隊已經為這種材料開發出了不同的有用性能,包括在受擠壓時能吸收不同頻率的聲音等等。


     “泊松比”也會影響金屬的疲倦程度,因此,貝爾托爾迪正在同勞斯萊斯公司合作設計具有復雜狹縫結構的發動機零件,這種零件可以經受很多次壓縮循環。貝爾托爾迪表示,為了獲得獨一無二的特性,“我們要么研制復雜的零件;要么使用簡單的零件但采用特別的方式進行組合。”


     4、能復原的彈性陶瓷

      加州理工學院科研團隊制造出了一種非常小且與以往迥然不同的陶瓷,其空氣含量在99.9%左右,卻仍十分堅硬,且該陶瓷在破碎率達50%的情況下還可恢復原狀。


新的陶瓷設計使用了晶格點陣技術,看起來非常像埃菲爾鐵塔


       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”一個三維結構,即通過激光光束的照射讓高分子發生局部交聯硬化。被激光照射過的部分材料會保持結構完整,而其他部分則會被溶解掉,只留下一個三維骨架。然后他們在這個骨架上涂覆一層薄薄的材料——金屬、合金、玻璃、半導體等等,之后使用另一種方法將骨架中的高分子剝離出來,留下一個空心結構。


       研究人員表示,這項技術前景無限。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、能源效率及生物醫學領域的技術發展十分有利。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。


       在模型建立后,研究人員在高分子骨架上涂覆一層氧化鋁陶瓷材料,構建出中空管網狀的氧化鋁結構,整個結構的厚度為5納米到60納米,管直徑在450納米到1380納米內,而且,整個網絡比一張紙還薄。接下來,研究人員對他們制造的各種納米晶格的力學性能進行了測試,猛烈擠壓或拉伸材料,總之使樣品發生變形以觀察其承受極限。他們發現,厚50納米、管徑1微米的氧化鋁結構在壓縮時會發生破碎。然而,當壓縮管壁厚與管徑的比例比較小的晶格時,也就是當管壁厚僅10納米時,卻產生了非常不同的結果。研究人員說:“你使它發生了變形,但它卻突然彈了回來,在某些情況下,我們能使這些樣品變形的比例達到85%,但之后它們又恢復原狀。”


       研究人員解釋道,像陶瓷、硅、玻璃一樣比較脆的材料由于充滿缺陷(比如空穴和雜質)而易發生碎裂。材料越完美,你越不可能發現它結構的缺點。但是,當將結構削弱到一定程度即厚度僅10納米時,缺陷的數量和所有缺陷的尺寸都達到了最小化的狀態,整個結構也最不可能失效。


       參與研究的盧卡斯·梅扎表示,盡管如此,他們目前制造出的材料還太小,因此并沒有實際用途,不過,隨著投資的不斷增加,這種陶瓷能找到用武之地,尤其能在“普通物質無能為力的地方大顯身手”,例如,航天飛機或者噴氣式發動機,或許更愿意使用陶瓷防護瓦而非金屬罩來隔熱的設備。


(來源:科技日報)

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