『』比强度超过钻石！科学家设计碳的新结构，强度和刚度接近理论极限

钻石，以其璀璨耀眼的光芒、坚硬持久的特性在情侣之间有着极为特别的含义。而作为钻石的原石，同为固体碳材料的金刚石是自然界中最坚硬的物质，在人们的生产生活之中也发挥着极为重要的作用。
金刚石之所以会被打磨成钻石，最重要的原因在于它的硬度。它不会被其他任何东西刮花，可以始终保持自身光泽。此外，它有着良好的色散特性，能将白光分散为向外扩散的彩虹光芒，增添了其自身魅力。
而近日，美国加利福尼大学尔湾分校与其他机构的研究人员一起，从材料的微结构角度设计出一种碳的板状纳米结构，该结构的比强度（强度-重量比）甚至要超过钻石。这项研究发表在了《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。
【『』比强度超过钻石！科学家设计碳的新结构，强度和刚度接近理论极限】延斯·鲍尔（Jens Karl-Heinz Bauer）和卡梅伦·克鲁克（Cameron Crook）作为这项研究的主要负责人，对 DeepTech 表示：“这将是一个有助于改变长期以来对材料结构设计范式的、非常重要的见解，可以帮助人们创造更轻、更强、更好的材料。这是未来技术发展所需要的。 ”

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图｜新型碳纳米板状结构（来源：Cameron Crook & Jens Bauer/UCI）
突破几十年的常见形态
碳，可谓是地球上最引人瞩目的元素之一，其有着不同结构的同素异形体，并存在于我们生活中近乎九成以上的已知物质中。
碳的同素异形体在物理与化学特性上各具差异。除了人们生活中所熟知的钻石、石墨和金刚石，还有在科学界鼎鼎有名的 C-60（富勒烯）、碳纳米管和石墨烯等众多取得过诸多荣誉、目前被广泛研究的分子结构。
而这一次，鲍尔和克鲁克所在的研究团队成功设计并制造出了壁厚约 160 nm 的闭孔板状纳米晶格结构材料。这种碳纳米材料与过往几十年来，人们所常见的圆柱形桁架组成的碳结构不同，研究人员用紧密连接的闭孔板 “颠覆” 了常规。
“我们的研究是历史上的第一个实验证据，验证了板架结构要优于过往通常意义上的基于横梁连接的结构。 ” 鲍尔非常自信地对 DeepTech 说道。通过他们的研究表明，这种板状结构的排列方式，让其制备出的样品近乎达到了多孔材料强度和刚度的理论极限。
他们在论文中提到了具体数值：其设计的碳纳米板状结构超出了过往碳的圆柱梁型体系结构平均强度性能的 639％，刚性水平也提高了 522％。
“我们的碳纳米板材料其中有着 40%~80% 的空隙，这使得它们像聚合物泡沫一样轻。但同时，它们还比任何金属或合金，比如钢铁的强度还要高很多，而这些金属会是其重量的十倍以上， ” 鲍尔解释， “此外，碳纳米板状晶格结构的比强度（强度-重量比）甚至还要超过某些类型的块体金刚石，而块体金刚石是已知的比强度最高的块体材料。 ”

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图｜钻石（来源：pixabay）
设计思路与未来应用
尽管在过去近 20 年时间里，基于横梁结构的晶格一直是超强力学性能材料的主流，但其低结构效率实际上将材料的性能限制在了一定的弹性模量范围之内。而 “立方 + 拓扑结构” 是已经被众多科学家预测的，能达到多孔材料理论性能极限的几种设计之一。
“不过此前一直都是理论，而我们的目标是实际制造出一种可以达到性能极限的材料，并最终证明那些可以追溯到十多年前的理论预测结果。 ” 延斯·鲍尔分析称，之前没有被验证的主要原因在于制造工艺上始终面临着重大挑战，所以在这项实验中他们选择了 “立方 + 八隅体” 设计，正是因为它的简单性，这让通过双光子光刻和热解的方法合成该结构变得最为直接。