『』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( 二 )

那么，横梁与板状结构为何有如此大的区别呢？横梁结构可以想象有三束光垂直相交形成一个节点，当你对其中一根横梁施加压力时，只有特定那根在受力，而另外两根没有承受任何压力。
但板状结构不同，想象三个板块相交形成一个角，如果你朝一个方向推动其中一块，那么另外两块板同样会分摊这个载荷。简单来说，横梁结构有三分之一的材料在工作；而在基于板的结构中，三分之二的材料在工作。
在制备板状结构时，研究团队采用了双光子激光直写技术（或双光子聚合光固化成形技术），这通常被人们称为 “双光子 3D 打印”（Two-photonpolymerization, TPP）。其原理是当激光聚焦在一滴紫外线感光的液体树脂中时，分子同时受到两个光子的撞击，从而让材料变成了一种固体聚合物。它可以非常简单方便地加工出具有周期性排列顺序的微纳结构。
早在 2015 年 10 月，帝国理工学院杨广中教授团队曾将一段长城模型打印在正方形硅片上，长度只有 100 μm。在当时，中国国内还没有达到该水平的相应技术。不过在 2019 年，一家成立于北京的、从事商用纳米级三维制造设备研发与生产的民营公司展示了拥有独立知识产权的纳米级三维光刻制造系统技术。

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图｜2015 年光子 3D 打印制备的 100 微米长的 “长城”（来源：Wiki）

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图｜2019 年中国公司制造的纳米级辽宁舰航母模型（来源：北京魔技纳米科技有限公司）
而如今，鲍尔和克鲁克等人的这项研究所制备的纳米板状结构材料大约有 160 nm 厚，相当于人类头发宽度的 1/400 。 “我们的研究包括概念化、制造，以及机械稳定性的测量，之后再通过有限元分析法用计算机模拟，并用纳米 CT 扫描来分析观察到的各项数据。 ” 他们对 DeepTech 介绍到。
不过，即便 “双光子 3D 打印” 在微结构的加工上具有极大的优势，但并非毫无缺点。和老照相机需要洗胶片相似， TPP 的光敏材料也需要进行显影和定影等过程，从而将要打印的 3D 物体固定下来，整体的加工过程相对繁琐。
因此，在回答该研究在未来是否能投入应用时，鲍尔向 DeepTech 表示：“到目前为止，我们还只能小规模生产出这种材料。下一阶段的研究就是要找到方法来扩大生产材料的规模，例如通过进一步发展增材制造工艺等手段。 ”
“这种结构材料的应用范围是十分广泛的。 ” 鲍尔认为，长远来看，这种超高强度和极低质量密度的特性非常适合用于航空航天、汽车等领域的结构材料选择上。当然，在生产规模还扩大不到那个程度时，可能更早的机会是将该材料应用于微型机电设备之上，例如智能手机的传感器、小型生物医疗设备或微型卫星上等等。