美国加州大学尔湾分校（UC Irvine，UCI）和其他机构的研究人员设计开发出比强度系数（Specific strength；强度 / 密度比强度）大于钻石的薄片式奈米晶格结构（ Plate-Nanolattices，亦即奈米尺度碳结构）。在《自然通讯》期刊的一项最新研究中，科学家们阐述了在概念化和制造这种材料上的成功，该材料由紧密连接的蜂巢状薄片组成，而不是采用过去几十年在这种结构中常见的圆柱形桁架。
“以前横梁式设计虽然引起人们的极大兴趣，但在机械性能方面并没有那么有效，”UCI 机械与航空太空工程研究人员 Jens Bauer 表示：“我们创造的这种新型薄片式奈米晶格结构比最好的横梁式奈米晶格结构的强度及硬度更高。”根据该论文指出，该团队的设计已被证明可以提高柱形梁结构的平均性能表现，其在强度上提高 639%，在刚性上提高 522%。
UCI 材料科学与工程暨机械与航空太空工程教授 Lorenzo Valdevit 所主持之可建构材料实验室（Aarchitected Materials Laboratory）的成员使用加大尔湾材料研究所（Irvine Materials Research Institute，IMRI）提供的扫描电子显微镜和其他技术验证了他们的发现。
“科学家们预测，以薄片式设计排列的奈米晶格会非常坚固，”UCI 材料科学与工程研究生，同时也是本篇论文第一作者的 Cameron Crook 表示：“但是这种制造结构的困难度意味着，直到我们成功做到这点，这个理论才被证明可行。”
3D 打印固态聚合物，经高温分解形成玻璃碳晶格
Bauer 表示，该研究团队的成果取决于一种称为双光子微影激光直写技术（Two-Photon Lithography Direct Laser Writing）的复合式 3D 激光打印程序。随着紫外线光敏树脂的逐层添加，该材料会在两个光子会合处变成固态聚合物。该技术能够使重复的蜂巢状晶格体变成仅 160 奈米厚的薄片。
该研究团队的一项创新之举就是在薄片上开了一些小孔，这些小孔可用来去除成品材料中多余的树脂。最后一道程序会让晶格进行高温分解，其会在真空中加热到摄氏 900 度，并持续一小时之久。根据 Bauer 的说法，最终会形成一种由玻璃碳构成的立方体晶格，这样结构的强度是科学家们所能想到之多孔材料中最高的。
Bauer 表示，这项研究的另一个目标和成就是探索基础物质在其固有机械效应上的可行应用。“当你将任何一种材料的尺寸急剧地缩小到 100 奈米时，它就会成为理论上几乎没有任何孔或裂纹的晶体。减少这些裂纹会增加系统的整体强度，”他表示。
“以前没有人将这些结构从尺度中独立出来，”UCI 设计与制造创新研究所（Institute for Design and Manufacturing Innovation，IDMI）所长 Valdevit 补充指出： “我们是第一个透过实验验证其性能表现与预期相符的研究小组，同时还展示了具有前所未有机械强度的可建构材料。” 对结构工程师，尤其是航空太空领域的工程师来说，奈米晶格具备无限的前景与巨大的潜力，因为人们希望它们兼具高强度与低质量密度的特性将大大提升飞机和飞行器的性能表现。
这项研究的其他共同作者尚包括 UCI 机械与航空太空工程研究生 Anna Guell Izard，以及加州大学圣塔芭芭拉分校（UC Santa Barbara）和德国哈雷维滕贝格大学（Martin Luther University of Halle-Wittenberg）的研究人员。这个专案是由美国海军研究办公室（Office of Naval Research）和德国研究基金会（German Research Foundation, DFG）资助。
- Team designs carbon nanostructure stronger than diamonds
（首图来源：UCI）
