近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所材料研究中心與重慶大學(xué)合作，在利用核徑跡技術(shù)制備具有超高能量吸收密度的力學(xué)超材料研究中取得了進(jìn)展。相關(guān)研究成果以亮點(diǎn)文章“編輯推薦”（Editors’Highlights）的形式，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

力學(xué)超材料是指一類(lèi)具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并表現(xiàn)出傳統(tǒng)材料所不具備的超常力學(xué)性質(zhì)的復(fù)合材料。其中，能量吸收型力學(xué)超材料可更高效地吸收機(jī)械能，這要求材料本身同時(shí)具有高強(qiáng)度和高應(yīng)變能力。然而，在通常情況下，材料的高強(qiáng)度和高應(yīng)變能力較難同時(shí)獲得。

納米晶格（Nanolattice）是一類(lèi)新興的力學(xué)超材料。由于納米尺寸效應(yīng)以及豐富的空間構(gòu)型和材料選擇，納米晶格可以在更輕質(zhì)的情況下實(shí)現(xiàn)超常的力學(xué)性質(zhì)，有望在未來(lái)高性能材料領(lǐng)域帶來(lái)變革性的應(yīng)用。納米梁晶格是納米晶格中主要的研究對(duì)象，而長(zhǎng)期以來(lái)，梁直徑小于100納米的金屬納米晶格的制備較難突破，其力學(xué)性質(zhì)尚不清晰。

科研人員基于蘭州重離子加速器裝置，利用核徑跡技術(shù)，制備了梁直徑僅為34納米的金和銅準(zhǔn)體心立方納米梁晶格。該方法突破了已有納米梁晶格力學(xué)超材料的尺寸極限，實(shí)現(xiàn)了梁直徑和相對(duì)密度的可控可調(diào)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銅納米梁晶格的能量吸收密度超越了已有納米梁晶格，刷新了納米梁晶格超材料的能量吸收阿什比圖。此外，金和銅納米梁晶格在密度不到塊體材料一半的情況下，其屈服強(qiáng)度超過(guò)了其對(duì)應(yīng)的塊體材料。研究進(jìn)一步通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬揭示了其超常力學(xué)性能主要源自于尺寸效應(yīng)、準(zhǔn)體心立方幾何構(gòu)型和金屬良好延展性的協(xié)同作用。

該研究證明了金和銅準(zhǔn)體心立方納米梁晶格具有優(yōu)異的能量吸收能力和抗壓強(qiáng)度，加深了科學(xué)家對(duì)納米梁晶格力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)知；實(shí)現(xiàn)了核徑跡技術(shù)在納米結(jié)構(gòu)超材料研究中的應(yīng)用，為探尋超高能量吸收密度的納米梁晶格提供了新思路。

研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項(xiàng)目和中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃的支持。

論文鏈接

圖1.金和銅準(zhǔn)體心立方納米梁晶格和已報(bào)道的微/納米梁晶格力學(xué)超材料的單位體積能量吸收與密度的阿什比圖

圖2.準(zhǔn)體心立方納米梁晶格SEM圖片