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我們許多人都知道鉆石，它是一種由碳元素組成的礦物。它是自然界中天然存在的最堅硬的物質(zhì)。在工業(yè)上它主要用于制造鉆探用的探頭和磨削工具，故又稱為金剛鉆或金剛石。形狀完整的金剛石經(jīng)過打磨，稱為鉆石，可用于制造高檔飾品，價格非常昂貴。目前世界上最昂貴的高檔鉆石從幾千萬到幾億美元，還有兩顆是無價之寶。

盡管鉆石具有極其獨特的魅力，但它僅僅是碳的一種特殊形式，或稱同素異形體。同素異形體，是指由同一種化學元素組成，而結構形態(tài)卻不相同的單質(zhì)。同素異形體由于結構不同，物理性質(zhì)與化學性質(zhì)上也有差異。碳元素的同素異形體，即由純碳元素所能構成的各種不同的分子結構。包括如下圖所示的八種碳的同素異形體：a) 鉆石、b) 石墨、c) 藍絲黛爾石、d) C60 (富勒烯)、e) C540、f) C70 富勒烯(C70)、g) 無定形碳、和 h) 單層碳納米管等。

它們都是由碳原子組成的，但是它們之間原子鍵的類型不同，這導致了不同的材料結構和性能。鉆石為什么是目前已知最硬的天然物質(zhì)？是因為鉆石的碳元素構成的晶體的碳原子的空間結構是正四面體形，原子間以共價鍵結合，是一種非常穩(wěn)定的結合方式。

最近，美國加利福尼亞大學爾灣分校的科學家們在結構上設計了一種板狀納米級碳結構材料，其強度與密度之比比金剛石還強。他們的研究成果發(fā)表在最近的《自然通訊》上。

研究人員成功設計和制造了壁厚約160納米的閉孔板狀納米晶格結構材料，該材料由緊密連接的閉孔板代替了過去幾十年來這種結構中常見的圓柱形桁架組成。研究表明，這種排列達到了多孔材料強度和剛度的理論極限。

該大學機械與航空航天工程研究人員、論文作者延斯·鮑爾（Jens Bauer）說：“以前的基于波束的設計雖然引起了人們的極大興趣，但在機械性能方面并沒有那么有效。” “我們創(chuàng)造的這種新型的板式納米纖維比最佳的束式納米纖維要強得多、也要更堅硬得多。”該論文指出，所設計研制的材料已顯示出可將圓柱梁型體系結構的平均性能提高多達639％的強度和522％的剛性。

該大學材料科學與工程學以及機械與航空航天工程學教授洛倫佐·瓦爾德維特（Lorenzo Valdevit）建筑材料實驗室的使用爾灣材料研究所提供的掃描電子顯微鏡和其他技術驗證了他們的發(fā)現(xiàn)。

論文第一作者、該大學材料科學與工程專業(yè)的研究生、卡梅倫·克魯克（Cameron Crook）說：“科學家們預測，以板狀設計排列的納米晶格會非常堅固。” “但是以這種方式制造結構特別地困難，直到我們成功做到這一理論，該理論才被證明。”

研究人員說，該研究成就的關鍵取決于復雜的3D激光打印工藝，稱為雙光子聚合直接激光寫入（two-photon lithography direct laser writing）。當激光聚焦在對紫外線敏感的液態(tài)樹脂的液滴內(nèi)部時，隨著紫外線敏感樹脂的逐層添加，分子同時被兩個光子撞擊，該材料在兩個光子會合的位置變成固態(tài)聚合物。通過掃描激光或在三個維度上移動載物臺，該技術能夠?qū)υ摷毼⒔Y構進行周期性排列，每個細微結構由厚度為160納米的平板組件組成。

該研究的一項創(chuàng)新還包括在板上的小孔，這樣的小孔可用于從成品材料中去除多余的樹脂。作為最后一步，晶格經(jīng)過熱解，在真空中將其加熱到900攝氏度一小時。最終結果是形成了立方形狀的碳結構，科學家們認為這種多孔材料具有最高的強度。

這項研究的另一個目標和成就是利用基礎物質(zhì)的固有機械作用。研究人員說：“當您使用任何一種材料并將其尺寸顯著減小到100納米時，它就會接近理論上沒有孔或裂紋的晶體。減少這些缺陷會增加系統(tǒng)的整體強度。”

該大學設計與制造創(chuàng)新研究所所長、研究主導作者、瓦爾德維特（Valdevit）補充說：“以前沒有人將這些結構與材料聯(lián)系起來。” “我們是第一個通過實驗驗證其性能與預期相符的小組，同時還展示了具有前所未有的機械強度的結構材料。”這種碳納米晶體結構對結構工程師，特別是在航空航天領域，具有廣闊的前景，因為人們希望它們的強度和低質(zhì)量密度的結合將大大提高飛機和航天器的性能。