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强如钢比水轻 德科学家研发新类骨材料

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【大纪元2014年02月10日讯】(大纪元记者李洗尘编译报导)自石器时代和青铜时代以来,材料的发展一直推动着人类科技水平的进步,21世纪的今天更进入了所谓的“分子时代”。当代的科学家们开始在原子水平上对材料进行调整,从而创造出有着惊人性质的新材料

澳洲学术网站“对话”(the conversation)报导,德国卡尔斯鲁厄科技大学的鲍尔(Jens Bauer)和其同事们正朝向这个方向努力。他们已经开发出一种类骨材料,其密度小于水,但强度却和某些钢材类似。鲍尔说:“这是第一次通过实验证明,这种物质是可以存在的。”

自工业革命以来,新材料总是供不应求。人们希望用这些材料做不同的事情,从提高计算机的速度,到进入火星大气层时能够承受高温等不胜枚举。然而,大多数新材料的一个关键特征仍是它们的强度和刚度,即它们可以承受多少载荷而不发生弯曲或屈曲。

通过对现有所有材料的分析我们可以得知,所有的固体材料的密度都比水大,除非它是多孔材料。木头和骨头都是多孔材料,在显微镜下观察,他们表现出精致的结构,这也给鲍尔的工作带来了灵感。

多年以来,材料科学家们认为,理论上可以预测存在一些密度小而强度高的材料。运用计算机模拟,可以找到一种最优的显微组织,使材料获得合适的性能。然而,还没有工具能够在头发丝的尺寸上,构建定义模式的材料。

然而,随着近期激光和3D打印技术的发展,德国Nanoscribe公司开始提供激光器,它能完成鲍尔正想要做的工作。这个系统用透镜将激光精确聚焦,在一个小点上,当这种光点照在一种聚合物上,该塑料就会发生化学反应。

制作这种材料的具体步骤如下:首先,将一滴蜂蜜状的聚合物被放置在载玻片上,然后打开激光,再配合计算机辅助设计(CAD)的使用和载玻片的精准移动,好让激光仅固定焦点于那些能让聚合物凝固的点上。工作完成后,冲走多余的液体聚合物,留下有着复杂内部结构的材料。

然而,完成这一步骤的材料,其强度还没有达到鲍尔的要求。因此,他在材料上镀上了一层薄薄的氧化铝,之后把材料送去做力学测试。根据试验结果,他已改善了这个用于设计材料内部结构的理论模型。该研究结果近期发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上。

尽管氧化铝层提高了这种材料的密度,但材料整体上还是比水轻。鲍尔研制的强度最高的材料,具有特定的蜂窝状内部结构,并涂覆有50纳米厚(十亿分之一米)的氧化铝层。它能够承受280兆帕斯(MPa,应力单位)的负载,从而超越了所有比水轻的自然和人造材料,甚至达到了某些钢材的强度。

这种材料也有它的局限性。Nanoscribe的系统只能做出几十微米的大小的物体。鲍尔补充:“他们的一个新的机器可以做出毫米大小的材料,但现在也就能做到这样”。对于现实生活中的任何应用,这都是不够的。

然而,这项工作所涉及的所有领域都在飞速发展,如3D打印、新的聚合物和激光技术。这意味着,我们可能很快就会有一系列新的超轻质材料,可以运用于从滑雪板到飞机零部件的各种领域。鲍尔的工作表明,毫无疑问,我们正处在分子时代。

(责任编辑:张东光)

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2014-02-10 8:24 AM
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