不久前，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的科學(xué)家們3D打印出了世界上迄今最小的人造晶格結(jié)構(gòu)，據(jù)悉該晶格的所有部分都是由玻璃碳制成的，其長度低于1微米，直徑不超過200納米。與接近的超材料相比，該3D打印晶格結(jié)構(gòu)的尺寸是前者的五分之一。如此之小的尺度使其獲得了前所未有的強(qiáng)度/密度比，可以用于電極、過濾器或光學(xué)組件等領(lǐng)域。目前這一成果已經(jīng)被發(fā)表在《Nature Materials》雜志中。

“輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，比如骨頭和木頭等，在自然界中普遍存在。”該研究的第一作者，KIT的Jens Bauer博士解釋說：“它們往往擁有很高的承載能力，而且重量很輕，因此經(jīng)常被可用于技術(shù)應(yīng)用的機(jī)械超材料視作模仿的對象。”

所謂的超材料是一種人造材料，其結(jié)構(gòu)尺度往往在微米水平上，而且是專門為了擁有某些特定的機(jī)械、光學(xué)屬性而設(shè)計(jì)的，這些屬性是非結(jié)構(gòu)化的固體無法實(shí)現(xiàn)的，比如那種可以引導(dǎo)物體周圍的聲、光、熱的“隱形斗篷”；或者那種對于壓力或剪切力(拉脹材料)產(chǎn)生反直覺反應(yīng)的材料；以及具有很高的特定穩(wěn)定性的輕質(zhì)納米材料等。

據(jù)了解，該全球最小的晶格結(jié)構(gòu)是用一種已有的3D激光光刻工藝制造出來的。這種微米大小的指定結(jié)構(gòu)是由計(jì)算機(jī)控制的激光束在一種感光材料中硬化而成的。不過，這種工藝的分辨率還是有限制的，目前還只能制造出5—10微米長、1微米直徑的晶格支柱。

在此之后，該晶格結(jié)構(gòu)將通過高溫分解而收縮和玻璃化。這也是首次將熱解用于制造微結(jié)構(gòu)的晶格。具體來說，該對象被放在溫度高達(dá)900攝氏度左右的真空爐中，導(dǎo)致其中的化學(xué)鍵重新定向。除了碳之外，所有元素都會溢出。這種處于收縮的晶格結(jié)構(gòu)中的無序碳元素會以玻璃碳的形式存在。最終，研究人員們在壓力環(huán)境中對最后獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性測試。

“測試結(jié)果表明，這種晶格的承載能力非常接近理論極限，而且遠(yuǎn)高于非結(jié)構(gòu)化的玻璃碳。”這項(xiàng)研究的共同作者Oliver Kraft教授報(bào)告說。在去年年底之前，Kraft一直是KIT應(yīng)用材料研究所的負(fù)責(zé)人。今年，他轉(zhuǎn)任KIT負(fù)責(zé)研究的副總裁。“在特定穩(wěn)定性方面，鉆石是唯一比它高的固體材料。”

據(jù)悉，微結(jié)構(gòu)材料通常被用于絕緣或減震方面的應(yīng)用。那些開孔的微結(jié)構(gòu)材料也可以用作化工行業(yè)的過濾器，除此之外，超材料也往往擁有非同尋常的光學(xué)性質(zhì)，可以用于電信領(lǐng)域。玻璃碳是一種由純碳組成的高科技材料。它同時(shí)擁有玻璃、陶瓷、石墨的屬性，可用于電池的電極或者電解系統(tǒng)。