2021年6月24日，美国麻省理工学院官网报道称，麻省理工学院、加州理工学院和苏黎世联邦理工学院的工程师联合开展的一项全新研究表明，一种“纳米结构”材料——即采用精确图案化纳米级结构设计的材料。这种材料有望成为制造轻质装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击结构的基础用材。
麻省理工学院、加州理工大学和苏黎世联邦理工学院的工程师开展的一项联合研究后发现，经过精确图案化设计的“纳米结构”材料（如图）将是制造轻质装甲、防护涂层、防爆盾和其他抗冲击材料的理想用材（美国麻省理工学院图片）
新型纳米材料抗冲击性能优异研究人员创造了一种由纳米级碳支撑结构制成的超轻材料，这种结构赋予了材料优异的韧性和机械强度。研究团队利用射出的超声速微粒冲击材料表面测试其弹性，发现这种材料的内部支撑结构的每个碳支柱直径比人类头发的宽度还要更细，支柱密度前所未有，这种密集的超细支撑结构可以阻止微型高速射弹的穿透。经过研究人员的计算，与钢、凯夫拉、铝和其他重量相当的抗冲击材料相比，这种新材料在吸收冲击能量方面具有更明显的效果。该研究的主要作者、麻省理工大学机械工程助理教授卡洛斯·波特拉（Carlos Portela）表示，与质量相当的凯夫拉纤维相比，同等质量的新材料在防弹能力方面效率要高得多。如果能够实现大规模生产，这种新材料和使用相关概念设计的其他纳米结构材料，可被设计为更轻、更强的制品或结构，替代现有的凯夫拉纤维及钢。
纳米级碳支撑结构赋予了材料优异的韧性和机械强度（美国麻省理工学院图片）
这项研究工作中获得的技术原理和相关知识，可为超轻质抗冲击材料建立设计原则。利用这种材料，有望制造航空航天和国防军事应用中所需的高效装甲材料、保护涂层和防爆盾牌等。研究成果已发表在《自然材料》期刊中，团队研究成员包括麻省理工学院士兵纳米技术研究所和化学系的研究人员David Veysset、Yuchen Sun和Keith A． Nelson等，以及苏黎世联邦理工学院的 Dennis M． Kochmann。新材料的制备过程这种纳米结构材料由图案化的纳米级内部结构组成。纳米级内部结构排列方式可以赋予材料独特的特性，例如超常的轻质和弹性等。因此，纳米结构材料被视一种更轻、更坚固的抗冲击材料。不过这种理论上的潜力在很大程度上未经过任何测试验证。目前人们能够了解的纳米结构材料基本都是其如何响应缓慢变形，但在许多实际应用中，都不会出现任何缓慢变形的情况。因此，研究团队着手研究能够在快速变形条件下响应的纳米结构材料，例如在高速冲击或撞击期间。在加州理工学院，研究人员首先使用双光子光刻技术制造了一种纳米结构材料，这项技术使用快速、高功率的激光固化光敏树脂中的微观结构。研究人员构建了一种被称为四面体的重复图案——一种由微观支柱组成的晶格结构。在材料的发展历史中，这种内部几何结构往往出现在能够吸收能量的泡沫材料中。受此启发，研究人员选择在纳米级碳材料中复现这种类似泡沫的结构，以赋予通常看起来坚硬的材料一种灵活、抗吸收冲击的特性。虽然碳结构一般性脆，但新型纳米结构材料的利用无数的内部纳米支柱结构排列，最终赋予了材料本身具有橡胶状、可弯曲的结构特性。
新型纳米材料结构是一种由微观支柱组成的晶格结构（美国麻省理工学院图片）
在对晶格结构进行图案化定形后，研究人员洗掉了剩余的树脂并将其放入高温真空炉中，将聚合物转化为碳，最终得到了超轻纳米结构碳材料。新型材料可以阻挡超声速“子弹”为了测试材料面对极端变形时表现出的弹性性能，研究团队在麻省理工学院利用激光诱导粒子冲击测试技术进行了微粒冲击实验。该技术旨在让超快激光穿过涂有金薄膜的载玻片，该载玻片本身涂有一层微粒——在本项试验中采用的是直径14微米的氧化硅颗粒。当激光穿过载玻片时，氧化硅颗粒会产生等离子体，同时金薄膜中会快速膨胀气体，将氧化硅颗粒大力迅速地推向激光的方向。这使微粒向目标快速加速移动。研究人员可以通过调整激光的功率来控制微粒弹丸的速度。在实验中，研究人员探索了一系列微粒速度，速度可由40米／秒到1100米／秒不等，可达到超声速的效果。超音速是指大约每秒340米以上的速度，340米／秒的速度是海平面空气中的声速。所以，利用实验室技术能够很容易的获得2倍以上声速。研究人员使用高速相机拍摄了微粒对纳米结构材料产生影响的影像。研究人员制造了两种具有不同密度的材料——密度较低的材料中其内部纳米支柱比另一种略薄。比较两种材料对冲击响应时，研究人员发现密度较大的材料更具弹性，在微粒冲击材料时可嵌入其中，不会直接穿透或撕裂材料。为了更仔细地观察，研究人员切开嵌入的微粒和材料，发现在嵌入微粒正下方的区域，内部支柱网格结构在撞击后已经发生褶皱并被完全压缩，但未射入微粒的部分结构仍完好无损。
嵌入微粒正下方的区域，内部支柱网格结构在撞击后已经发生褶皱并被完全压缩，但未射入微粒的部分结构仍完好无损（美国麻省理工学院图片）
研究表明，这种材料可以吸收大量能量，即使与结构完全致密紧实的非纳米材料相比，这种材料在纳米尺度上展现出的吸收冲击能量的机理是具有明显优势的。更有趣的一点是，该研究团队发现，他们可以利用这项实验中的成果，建立维度分析框架，用来描述不同物体撞击或冲击过程中的特性，从而预测物质将承受的损伤类型，可应用于天体行星撞击过程的研究中。使用量纲分析基本原理（Buckingham－Π），研究人员分析考虑了各种物理量，例如流星的速度和行星表面材料的强度等，以此为依据计算“陨石坑效率”或流星撞击的可能性，以及流星可能深入行星表面材料的深度范围。当研究团队根据纳米结构薄膜的物理特性以及微粒的大小和速度调整方程时，他们发现这套研究框架可以预测出他们的实验数据所反映的撞击影响类型。
受此项实验启发，研究团队认为可以通过建立维度分析的方式，预测天体撞击等现象带来的实际损伤类型（美国麻省理工学院图片）
展望未来，研究人员表示该框架可用于预测其他纳米结构材料的冲击弹性。研究人员计划探索各种纳米结构材料的配置，以及考虑使用碳之外的其他材料，甚至是未来扩大这种新材料生产规模的方法——所有这些研究的目的都是未来设计出能够满足未来需求的更坚固、更轻质的防护材料。纳米结构材料确实很有希望作为抗冲击材料。现阶段人们对它还有很多不了解的地方，研究人员正在努力进行相关研究，解答尚未被解释的科学问题，为纳米结构材料未来的广阔应用前景打开大门。本项研究工作得到了美国海军研究办公室、Vannevar Bush学院奖学金和美陆军研究办公室、麻省理工学院士兵纳米技术研究所的部分支持。
