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美研制出坚固轻质的纳米陶瓷

发布时间:2019-10-09 14:14:10

据美国麻省理工学院(MIT)《技术评论》杂志近日报道,美国科学家研制出了一种新的陶瓷材料,由纳米支杆相互交错而形成。研究人员表示,这是有史以来最坚固且最轻质的材料之一,如果他们能想到方法大规模制造出此类物质,那么,它可以被用来制造飞机、卡车以及电池的电极,研究发表在最新一期的《科学》杂志上。

由加州理工学院的材料科学家茱莉亚·格里尔领导的研究团队发现,通过对纳米材料的支杆和节点进行认真地设计,他们能制造出陶瓷、金属和其他压碎后能恢复的材料,就像海绵一样。这种材料不仅坚固而且轻质,可以像羽毛一样漂浮在空中。

传统材料的强度、重量以及密度紧密相关,比如,陶瓷很坚固,但也很重,因此,它们不能被用来制造重量非常重要的物件,比如,汽车车身。而且,一旦陶瓷被打碎,它们就像玻璃一样,粉身碎骨,无法复原。

但纳米世界并不遵循这一规则。在纳米尺度下,陶瓷的结构和力学属性与其重量等属性的联系变得不那么密切,而且,其属性可以被精确地修改。格里尔说:“对陶瓷来说,越小越坚固。”这意味着由陶瓷材料制成的纳米尺度的构架可以兼顾轻质与坚固。

2011年,格里尔与其他科学家携手制造出了有史以来最轻质的材料之一:一种由中空的金属管制成的微网格。现在,她更上一层楼,制造出了拥有同样属性的陶瓷,这些材料由一些被调谐得非常好的结构制成,因此,很难制造出来。

为了制造出陶瓷纳米支架,格里尔团队使用一种名为双光子干涉光刻(相当于成本极低的3D激光打印技术)的技术,首先,他们用这一方法,使用聚合物制造出了所需的结构-网格,接着,用氧化铝等陶瓷将聚合物包裹起来,随后,再用氧等离子体对其进行蚀刻,最终只留下中空的陶瓷管网格。

格里尔团队证明,通过改变管壁的厚度,可以很好地对材料是否容易破碎进行控制。当管壁很厚时,陶瓷会在压力下粉碎,和我们想象的一样,但当管壁仅为10纳米厚时,材料在压力下也会弯曲,但随后会恢复其形状。

研究人员表示,这种新材料或许非常适合用做制造电池的原料。纳米结构拥有很大的表面积,而且非常轻质,这两点结合起来,可以制造能快速充放且能容纳很多能源的电池。实际上,格里尔表示,她正在与德国博世公司携手将最新设计应用在锂离子电池的制造过程中。

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