我們許多人(ren)都知道鉆石(shi)，它(ta)是一種(zhong)由碳(tan)元素組成的礦物(wu)。它(ta)是自然(ran)界(jie)中(zhong)天然(ran)存在(zai)的最堅硬的物(wu)質(zhi)。在(zai)工業上它(ta)主(zhu)要用于制造(zao)鉆探用的探頭和(he)磨削工具，故又稱為(wei)金(jin)剛鉆或金(jin)剛石(shi)。形(xing)狀完整的金(jin)剛石(shi)經(jing)過(guo)打磨，稱為(wei)鉆石(shi)，可用于制造(zao)高檔飾品，價(jia)格非(fei)常(chang)昂貴(gui)。目前世界(jie)上最昂貴(gui)的高檔鉆石(shi)從(cong)幾千(qian)萬到幾億美元，還有兩顆是無價(jia)之寶。

盡(jin)管鉆石(shi)(shi)具有極(ji)其(qi)獨特的(de)(de)魅力，但它僅僅是碳(tan)的(de)(de)一(yi)(yi)種(zhong)特殊形式，或稱同(tong)(tong)(tong)素(su)異形體(ti)(ti)。同(tong)(tong)(tong)素(su)異形體(ti)(ti)，是指(zhi)由同(tong)(tong)(tong)一(yi)(yi)種(zhong)化學(xue)元(yuan)素(su)組成(cheng)，而(er)結構形態卻不(bu)相(xiang)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)單(dan)質(zhi)。同(tong)(tong)(tong)素(su)異形體(ti)(ti)由于結構不(bu)同(tong)(tong)(tong)，物(wu)理性質(zhi)與化學(xue)性質(zhi)上也(ye)有差異。碳(tan)元(yuan)素(su)的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)素(su)異形體(ti)(ti)，即由純碳(tan)元(yuan)素(su)所能構成(cheng)的(de)(de)各種(zhong)不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)分(fen)子結構。包括(kuo)如下圖所示的(de)(de)八種(zhong)碳(tan)的(de)(de)同(tong)(tong)(tong)素(su)異形體(ti)(ti)：a) 鉆石(shi)(shi)、b) 石(shi)(shi)墨、c) 藍絲黛爾石(shi)(shi)、d) C60 (富(fu)勒(le)烯(xi))、e) C540、f) C70 富(fu)勒(le)烯(xi)(C70)、g) 無定形碳(tan)、和 h) 單(dan)層碳(tan)納米管等(deng)。

它們(men)都是(shi)由碳原子(zi)(zi)組成的(de)(de)，但是(shi)它們(men)之間(jian)原子(zi)(zi)鍵(jian)的(de)(de)類型不同，這導(dao)致了不同的(de)(de)材料結(jie)構(gou)和性(xing)能。鉆石(shi)為什么是(shi)目(mu)前已知最硬的(de)(de)天(tian)然(ran)物質(zhi)？是(shi)因為鉆石(shi)的(de)(de)碳元素構(gou)成的(de)(de)晶(jing)體(ti)的(de)(de)碳原子(zi)(zi)的(de)(de)空間(jian)結(jie)構(gou)是(shi)正四面體(ti)形，原子(zi)(zi)間(jian)以共價(jia)鍵(jian)結(jie)合，是(shi)一種非常穩定的(de)(de)結(jie)合方式。

最近，美國加利福尼亞大學爾灣分校(xiao)的(de)科學家們在結(jie)構上(shang)設計了(le)一種板狀納米級碳結(jie)構材料，其強度(du)與(yu)密度(du)之(zhi)比(bi)比(bi)金剛(gang)石還強。他們的(de)研究(jiu)成果(guo)發(fa)表在最近的(de)《自(zi)然通訊(xun)》上(shang)。

研究(jiu)人(ren)員(yuan)成(cheng)功設(she)計和(he)制(zhi)造了(le)(le)(le)壁厚(hou)約160納米的(de)(de)(de)閉孔(kong)板狀納米晶格結(jie)(jie)構(gou)材料，該材料由緊(jin)密連接(jie)的(de)(de)(de)閉孔(kong)板代替了(le)(le)(le)過去幾十年(nian)來這種結(jie)(jie)構(gou)中常見的(de)(de)(de)圓柱形(xing)桁架(jia)組成(cheng)。研究(jiu)表(biao)明(ming)，這種排列達到了(le)(le)(le)多(duo)孔(kong)材料強度和(he)剛度的(de)(de)(de)理論極限。

該大學機械與航(hang)空航(hang)天工(gong)程研究人(ren)員(yuan)、論(lun)文作(zuo)者延斯·鮑爾（Jens Bauer）說(shuo)：“以前的(de)(de)基(ji)于(yu)波(bo)束的(de)(de)設計雖然引起(qi)了人(ren)們的(de)(de)極大興趣，但在機械性能方面(mian)并(bing)沒有那(nei)么有效。” “我們創造(zao)的(de)(de)這種(zhong)新型(xing)的(de)(de)板式納(na)米纖維比最佳的(de)(de)束式納(na)米纖維要強(qiang)得多、也(ye)要更(geng)堅硬得多。”該論(lun)文指出，所設計研制的(de)(de)材料已(yi)顯(xian)示出可將圓(yuan)柱梁型(xing)體系結構的(de)(de)平均性能提(ti)高多達639％的(de)(de)強(qiang)度(du)和(he)522％的(de)(de)剛(gang)性。

該大學材料(liao)科學與(yu)工程學以及機(ji)械與(yu)航(hang)空航(hang)天工程學教授洛(luo)倫佐·瓦爾德維特（Lorenzo Valdevit）建筑(zhu)材料(liao)實(shi)驗室的使用爾灣材料(liao)研究所提供的掃描電子顯(xian)微鏡和其他(ta)技術驗證(zheng)了他(ta)們的發現。

論(lun)文第(di)一作者、該(gai)大學(xue)材料科學(xue)與工程專業(ye)的研究生(sheng)、卡梅倫(lun)·克魯(lu)克（Cameron Crook）說(shuo)：“科學(xue)家(jia)們(men)預測(ce)，以板狀設(she)計排列的納米(mi)晶格(ge)會(hui)非常(chang)堅固(gu)。” “但是以這種方(fang)式(shi)制造結構特(te)別地困難(nan)，直(zhi)到我們(men)成功做到這一理論(lun)，該(gai)理論(lun)才被證明。”

研(yan)(yan)究(jiu)人員(yuan)說，該(gai)(gai)研(yan)(yan)究(jiu)成(cheng)就的(de)關鍵取決(jue)于復雜的(de)3D激(ji)光(guang)(guang)打(da)印工藝，稱為(wei)雙光(guang)(guang)子聚合(he)直接(jie)激(ji)光(guang)(guang)寫(xie)入（two-photon lithography direct laser writing）。當激(ji)光(guang)(guang)聚焦在對(dui)紫(zi)外線(xian)敏感(gan)的(de)液態(tai)樹脂的(de)液滴內部時，隨著紫(zi)外線(xian)敏感(gan)樹脂的(de)逐層添加，分子同時被兩(liang)個光(guang)(guang)子撞(zhuang)擊，該(gai)(gai)材料(liao)在兩(liang)個光(guang)(guang)子會合(he)的(de)位置變成(cheng)固態(tai)聚合(he)物。通(tong)過掃描激(ji)光(guang)(guang)或在三(san)個維度上移動載物臺，該(gai)(gai)技術能(neng)夠對(dui)該(gai)(gai)細微結構進行周(zhou)期性排列，每個細微結構由(you)厚度為(wei)160納米的(de)平板組(zu)件組(zu)成(cheng)。

該研究的(de)(de)(de)一(yi)(yi)項創(chuang)新還包括在板上的(de)(de)(de)小孔(kong)，這(zhe)樣的(de)(de)(de)小孔(kong)可用(yong)于從成品材料中(zhong)去除多余的(de)(de)(de)樹(shu)脂。作為(wei)最(zui)(zui)后一(yi)(yi)步，晶格(ge)經過熱解，在真空(kong)中(zhong)將(jiang)其加熱到900攝(she)氏(shi)度一(yi)(yi)小時。最(zui)(zui)終結果是形成了立方形狀的(de)(de)(de)碳(tan)結構(gou)，科學家們認(ren)為(wei)這(zhe)種(zhong)多孔(kong)材料具有最(zui)(zui)高的(de)(de)(de)強(qiang)度。

這項研(yan)(yan)究的另一個目標和成就(jiu)是利用基礎物質的固有機械作用。研(yan)(yan)究人(ren)員說：“當您使用任何一種(zhong)材料并將其(qi)尺寸顯著減小(xiao)到100納米時，它就(jiu)會接近(jin)理論上沒有孔或(huo)裂紋的晶體。減少這些(xie)缺陷會增加系統的整體強度。”

該大學(xue)設計與(yu)制造創新研(yan)究所(suo)所(suo)長、研(yan)究主導作者、瓦爾德(de)維特（Valdevit）補充說：“以前(qian)沒有人將(jiang)這(zhe)(zhe)些(xie)結構(gou)與(yu)材料(liao)聯系起(qi)來。” “我們(men)(men)是(shi)第一(yi)個通過實(shi)驗(yan)驗(yan)證其性能與(yu)預期相符的(de)(de)(de)(de)小組，同時還展示了具有前(qian)所(suo)未有的(de)(de)(de)(de)機械強度的(de)(de)(de)(de)結構(gou)材料(liao)。”這(zhe)(zhe)種碳納米(mi)晶體結構(gou)對結構(gou)工程師，特別是(shi)在(zai)航(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)天(tian)領域，具有廣闊的(de)(de)(de)(de)前(qian)景，因(yin)為人們(men)(men)希(xi)望(wang)它們(men)(men)的(de)(de)(de)(de)強度和低(di)質(zhi)量密度的(de)(de)(de)(de)結合將(jiang)大大提高飛機和航(hang)(hang)天(tian)器(qi)的(de)(de)(de)(de)性能。

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