试想一下，如果有一种材料，其强度坚固到足以用于打造飞机或汽车，但重量却轻如空气，是不是有一种很科幻的感觉？但过不了多久，这种事情可能就会成真了！因为来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）和美国麻省理工学院（MIT）的一支研究团队，已经打造出了新型的超轻量级材料——它轻如气凝胶、但是强度却要比它强上10000倍！ 

左图：研究团队设计的一个基本单元结构，称为八位组桁架单元，用聚合材料通过3D微立体光刻投影技术打印出来；右图：超级材料晶格全阵列的形象化演示图；来源：LLNL、MIT 

    研究团队合作设计出一种新方法，以纳米微格为基础，将“结构承重”深入到微观尺度，造出极为通透而坚固的材料，同时具有高硬度、高强度、超低密度的优点。该方法还可用在多种材料上，如金属、陶瓷、聚合物等，有望使相同重量的材料在硬度方面刷新纪录。相关研究结果发表在6月20日的《科学》杂志上（Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1252291）。 

图：“气凝胶”(Aerogel)，又称“冷冻烟雾”(frozen smoke)

　　气凝胶有着令人难以置信的重量，目前的最轻记录保持者为每平方厘米只有0.16毫克的“aerographene”。除了保温、球拍和控制漏油等领域，美国宇航局还将之用于隔绝收集自彗星尾巴的“星尘任务”（Stardust mission）样本。 

　　由LLNL/ MIT团队开发出的新材料，其实并不是气凝胶，而是“超级材料”（metamaterials）。虽然它是人造的，但却可以在自然界中找寻到它的足迹。 

　　研究人员的想法是，打造出具有气凝胶般“轻量级”的重量，但是强度却要给力得多。因此，新材料的强度，其实来自于自身的几何结构，而不是化学材料本身。 

　　论文的合作作者麻省理工学院的Nicholas X. Fang解释说，通常，材料的硬度和强度会随着密度降低而降低，所以人们的骨密度下降后，会更容易骨折；但通过计算设计出恰当结构来分配承重，就能像埃菲尔铁塔那样，以更轻重量维持同样强度。 

　　至于新材料的制备，则是通过“微立体光刻投影”（projection micro-stereolithography）技术来实现的——这是桌面式3D打印的一种，但是作用于微观层面，以便于人们快速创建高度复杂的三维微结构层原型。 

　　尽管微粒体投影光刻的规模很小（microlattices），但其过程很像是制作桁架和大梁。而在这个过程中，所使用的材料竟然还可以进行切换。研究团队称，他们可以使用许多不同的材料，包括聚合物、金属和陶瓷等。 

　　起初，LLNL/MIT团队制作出了200至500 nm厚的金属膜层，然后熔掉聚合物基体模板，最后剩下的就是金属薄膜管的形态了。 

　　随后，该团队还利用同样的方法，用陶瓷来替代金属，并制作出了约50 nm厚的陶瓷管结构。这种材料的密度与传统气凝胶相似，但强度却要高出后者4个数量级。 

　　再接下来，这支团队还打造了“陶瓷-聚合物”混合体（在聚合物中嵌入纳米陶瓷颗粒）。不过过程略有些不同，即通过加热来除去聚合物，从而使陶瓷颗粒成为致密的固体。 

　　相关研究结果发表在6月20日的《科学》杂志上（Science, 2014, DOI: 10.1126/science.1252291）。论文的第一作者LLNL工程师Xiaoyu “Yayne” Zheng称：“这些轻质材料至少可以承受自身16万倍的负荷”。 

　　该论文的作者之一麻省理工学院的Nicholas X. Fang指出，该方法在任何需要轻质、高硬、超强材料的地方都很有用，如在太空中，每增加一点重量都会大大增加发射成本。还可以用于便携设备中的电池，这也是亟须减轻重量的地方。 

　　在不远的将来，该超级材料有望应用到飞机零部件、汽车和航天领域，而且最终强度可能会比实验室版本再强上100倍。 

图：研究团队及其开发的超级材料样例；来源：劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL） 

　　相关阅读： 

　　劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）报道 

　　麻省理工学院（MIT）报道 

　　（综合：cnbeta网站、科技日报）