最新开发出来的波纹状氧化铝板材厚度仅为纸张的数千分之一，是保鲜膜或铝箔的几百分之一，但在弯曲和扭曲之后还能反弹回原来的形状。

 

研究人员开发出的这种板材厚度不足100纳米，但强度足够大，可以用手拿起，且在弯曲和挤压之后还能恢复原状。

图片来源：宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania）

全球科学家和工程师正在进行新材料竞赛，尽可能薄，尽可能轻，尽可能强。原子级别的设计可使材料获得这些性质，但这只能在实验室严格控制的条件下才能实现。

现在，宾夕法尼亚大学研究人员制出了一种可用手拿起并操纵的最薄板材。

最新开发出来的波纹状氧化铝板材厚度仅为纸张的数千分之一，是保鲜膜或铝箔的几百分之一，但在弯曲和扭曲之后还能反弹回原来的形状。

跟保鲜膜一样，足够薄的材料如果不是绷在架子上或有其他材料支撑，就会自己立即卷曲起来，发生变形。

这种材料在无额外支持的情况下能够保持形状，据此原则设计，可用于航空等低重量条件下的结构应用领域。

该研究负责人为宾夕法尼亚大学机械与应用科学学院机械工程与应用力学Class of 1965 Term助理教授Igor Bargatin，实验室成员包括博士后KeivanDavami、机械工程副教授PrashantPurohit，另外研究生John Cortes和Chen Lin、之前机械纳米工程硕士课程的学生Lin Zhao、能源研究Vagelos集成项目大学生Eric Lu和 Drew Lilley也对该研究有所贡献。

相关研究成果发表于《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。

Bargatin说：“纳米材料往往比你想象的要强大很多，但很难用在宏观领域。我们已经基本上制出了一种厚度为纳米级、但强度又足够大可以用手操纵的独立片材。”

石墨烯，即单原子厚的碳，自2010年获得诺贝尔物理学奖以来，已经成为超薄材料的典型代表。石墨烯获奖时因为其电学特性，但其机械强度也很有吸引力，特别是它能够自支撑。然而，石墨烯以及其他原子级薄膜通常需要像帆布一样在衬底上拉伸开来，甚至是安置在衬底上，以防止自卷曲。

Bargatin说：“问题是，衬底很重，因而无法利用这些超薄薄膜固有的低重量特性。我们的想法是利用波纹来取代衬底。这意味着我们制得的结构不再是完全平面的，相反，具有蜂窝一样的三维形状，但这是平整、连续、完全独立的。”

Purohit表示：“这就像是一个放鸡蛋的纸箱，只是尺寸上是纳米级的。”

研究人员制得的片材厚度介于25至100纳米之间，由氧化铝组成，一次沉积一原子层，从而精确控制厚度，并实现独特的蜂窝状。

Bargatin说：“氧化铝实际上是一种陶瓷，通常都是很脆的。从日常经验来看，很容易破碎。但是这种片材以这样的方式弯曲、扭曲、变形并恢复原状，你可能会认为是塑料制成的。我们第一次见识到的时候也简直不敢相信。”

波纹增强了这种片材的刚度。拿住类似薄膜的一端，容易弯曲或凹陷，但这种蜂窝状片材仍然保持刚性。这不同于常见的未图案化薄膜，它们会自卷曲。

超薄薄膜容易变形，因而难以采用外部控制条件来控制其行为：受范德瓦尔斯力作用，它们任意表面都有发生形变的倾向。一旦陷进去，很难无损的移除。

完全平坦的薄膜还非常容易产生裂缝，接着迅速扩散到整个材料。

Davami说：“然而，如果我们的片材上出现裂纹，不会通过结构扩散。通常在其到达波纹的垂直面时就停止扩散了。”

片材的波纹图案是这个相对较新的研究领域的一个例子：力学超材料。与电磁超材料一样，力学超材料通过纳米功能的精心设计可以获得一些不可思议的性质。力学超材料中，这些属性包括刚度和强度，而不是操纵电磁波的能力。

现有的其他力学超材料的例子包括“纳米桁架”，这是一种由纳米管制成的、非常轻质的、高强度的三维支架。宾夕法尼亚大学研究团队制得的片材进一步采用了力学超材料的概念，采用波纹状来在片材上实现类似的牢固性，且在晶格结构中未发现孔隙。

这种特性组合可用来制备仿生飞行机器人的翅膀，在其他结合超薄厚度和力学牢固的应用领域也是至关重要的。

Bargatin说：“昆虫的翅膀只有几微米厚，不能再薄了，因为它们是由细胞构成的。据我所知，最薄的人造翅膀材料是在衬底上沉积的聚酯薄膜，只有大约半微米厚。我们制得的片材只有其十分之一，甚至更小，且完全不需要衬底。因此，每平方米的重量只有1/10克。”

该研究得到美国国家科学基金会（DMR11- 20901）的支持。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮