我們許多人都知道鉆石，它是一種由碳元素組成的礦物。它是自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)。在工業(yè)上它主要用于制造鉆探用的探頭和磨削工具，故又稱為金剛鉆或金剛石。形狀完整的金剛石經(jīng)過打磨，稱為鉆石，可用于制造高檔飾品，價格非常昂貴。目前世界上最昂貴的高檔鉆石從幾千萬到幾億美元，還有兩顆是無價之寶。

盡管鉆石具有極其獨特的魅力，但它僅僅是碳的一種特殊形式，或稱同素異形體。同素異形體，是指由同一種化學(xué)元素組成，而結(jié)構(gòu)形態(tài)卻不相同的單質(zhì)。同素異形體由于結(jié)構(gòu)不同，物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)上也有差異。碳元素的同素異形體，即由純碳元素所能構(gòu)成的各種不同的分子結(jié)構(gòu)。包括如下圖所示的八種碳的同素異形體：a) 鉆石、b) 石墨、c) 藍(lán)絲黛爾石、d) C60 (富勒烯)、e) C540、f) C70 富勒烯(C70)、g) 無定形碳、和 h) 單層碳納米管等。

它們都是由碳原子組成的，但是它們之間原子鍵的類型不同，這導(dǎo)致了不同的材料結(jié)構(gòu)和性能。鉆石為什么是目前已知最硬的天然物質(zhì)？是因為鉆石的碳元素構(gòu)成的晶體的碳原子的空間結(jié)構(gòu)是正四面體形，原子間以共價鍵結(jié)合，是一種非常穩(wěn)定的結(jié)合方式。

最近，美國加利福尼亞大學(xué)爾灣分校的科學(xué)家們在結(jié)構(gòu)上設(shè)計了一種板狀納米級碳結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)度與密度之比比金剛石還強(qiáng)。他們的研究成果發(fā)表在最近的《自然通訊》上。

研究人員成功設(shè)計和制造了壁厚約160納米的閉孔板狀納米晶格結(jié)構(gòu)材料，該材料由緊密連接的閉孔板代替了過去幾十年來這種結(jié)構(gòu)中常見的圓柱形桁架組成。研究表明，這種排列達(dá)到了多孔材料強(qiáng)度和剛度的理論極限。

該大學(xué)機(jī)械與航空航天工程研究人員、論文作者延斯·鮑爾（Jens Bauer）說：“以前的基于波束的設(shè)計雖然引起了人們的極大興趣，但在機(jī)械性能方面并沒有那么有效?！?“我們創(chuàng)造的這種新型的板式納米纖維比最佳的束式納米纖維要強(qiáng)得多、也要更堅硬得多。”該論文指出，所設(shè)計研制的材料已顯示出可將圓柱梁型體系結(jié)構(gòu)的平均性能提高多達(dá)639％的強(qiáng)度和522％的剛性。

該大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)以及機(jī)械與航空航天工程學(xué)教授洛倫佐·瓦爾德維特（Lorenzo Valdevit）建筑材料實驗室的使用爾灣材料研究所提供的掃描電子顯微鏡和其他技術(shù)驗證了他們的發(fā)現(xiàn)。

論文第一作者、該大學(xué)材料科學(xué)與工程專業(yè)的研究生、卡梅倫·克魯克（Cameron Crook）說：“科學(xué)家們預(yù)測，以板狀設(shè)計排列的納米晶格會非常堅固?！?“但是以這種方式制造結(jié)構(gòu)特別地困難，直到我們成功做到這一理論，該理論才被證明?！?/p>

研究人員說，該研究成就的關(guān)鍵取決于復(fù)雜的3D激光打印工藝，稱為雙光子聚合直接激光寫入（two-photon lithography direct laser writing）。當(dāng)激光聚焦在對紫外線敏感的液態(tài)樹脂的液滴內(nèi)部時，隨著紫外線敏感樹脂的逐層添加，分子同時被兩個光子撞擊，該材料在兩個光子會合的位置變成固態(tài)聚合物。通過掃描激光或在三個維度上移動載物臺，該技術(shù)能夠?qū)υ摷?xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行周期性排列，每個細(xì)微結(jié)構(gòu)由厚度為160納米的平板組件組成。

該研究的一項創(chuàng)新還包括在板上的小孔，這樣的小孔可用于從成品材料中去除多余的樹脂。作為最后一步，晶格經(jīng)過熱解，在真空中將其加熱到900攝氏度一小時。最終結(jié)果是形成了立方形狀的碳結(jié)構(gòu)，科學(xué)家們認(rèn)為這種多孔材料具有最高的強(qiáng)度。

這項研究的另一個目標(biāo)和成就是利用基礎(chǔ)物質(zhì)的固有機(jī)械作用。研究人員說：“當(dāng)您使用任何一種材料并將其尺寸顯著減小到100納米時，它就會接近理論上沒有孔或裂紋的晶體。減少這些缺陷會增加系統(tǒng)的整體強(qiáng)度。”

該大學(xué)設(shè)計與制造創(chuàng)新研究所所長、研究主導(dǎo)作者、瓦爾德維特（Valdevit）補(bǔ)充說：“以前沒有人將這些結(jié)構(gòu)與材料聯(lián)系起來。” “我們是第一個通過實驗驗證其性能與預(yù)期相符的小組，同時還展示了具有前所未有的機(jī)械強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料。”這種碳納米晶體結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)工程師，特別是在航空航天領(lǐng)域，具有廣闊的前景，因為人們希望它們的強(qiáng)度和低質(zhì)量密度的結(jié)合將大大提高飛機(jī)和航天器的性能。