近年来随着科技的发展特别是航空航天技术的突飞猛进，超轻超硬材料已经成为了业内材料科学和固体力学领域研究的热点。如何实现材料同时具有超轻量、高强度、大变形、抗冲击及缺陷不敏感等优异性能是现代材料设计和制造的一个巨大挑战。

对这一问题的挑战，科学家们选择了一种十四面体的力学性能由弯曲行为主导的基础结构。具有此种结构的复合纳米点阵超材料在受到撞击时可以吸收大量能量，而不容易发生灾难性的断裂。

今年，麻省理工、加州理工和苏黎世联邦理工学院合作，在高影响因子科学期刊 Nature Materials上发表了“Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon”的研究论文。在论文中，研究者利用德国Nanoscribe公司的双光子3D打印系统Photonic Professional GT研发了一种可抵挡超音速微粒 “Bullet” 撞击的力学超材料。这种厚度比人类头发丝直径还要小的材料由精心设计加工的碳纤维微纳米点阵构成，如果在工业上实现大规模生产，将有望大大提升飞行器、轻质装甲、防护涂层、以及其它超轻超硬抗冲击装备的总体性能。

诞生于享有 “欧洲麻省理工学院” 称号的卡尔斯鲁厄理工大学的Nanoscribe公司，作为球高精度3D打印设备的生产公司，一直专注于推动力学超材料、微纳机器人及微机电、生物医学工程和微纳光学等创新领域的研究，同时致力于为大学的科研群体提供各类优化制程方案。

科学家们在确定了材料的几何结构后，本文作者们使用Nanoscribe双光子光刻技术（two-photon lithography）进行打印。简单来说，双光子光刻基于非线性光学原理，是目前精度高的激光 3D 打印技术。普通的基于单光子的3D 激光打印技术的分辨率易受光学分辨率及层间位移机械误差的影响而精度较低，而双光子光刻技术利用高能飞秒激光脉冲在极小的空间范围内固化光敏树脂，从而将打印分辨率提高到难以置信的百纳米级精度。

打印完成后，材料被放入高温真空炉中热解，热解后的聚合物被碳化，从而生产出超轻的碳纳米点阵材料。虽然碳材料通常是易碎的，但是论文中设计的十四面体的晶格结构的力学行为由弯曲而非断裂主导，从而赋予了这种材料*的弹性和抗冲击性。这种材料在受到撞击时可以像橡胶一样弯曲。

对此，加州理工大学材料科学、力学和医学工程教授 Julia R. Greer 表示： “从这项实验中获得的数据可以为超轻型抗冲击材料、高效装甲材料、防护涂层等提供灵感。”

兼顾微观和宏观的高精度3D无掩膜光刻系统Photonic Professional GT2使用双光子聚合(2PP)来产生几乎任何3D形状：晶格、木堆型结构、自由设计的图案、顺滑的轮廓、锐利的边缘、表面的和内置倒扣以及桥接结构。为了实现高速打印并获得出色微纳加工效果，Nanoscribe打印系统所配备的多种动态高精度打印模式（Dynamic Precision Printing modes ，DPP）都能做到精准调整。使用DeScribe-我们的打印制备软件，能实现自定义模式以满足您的设计要求的特定需求。

增材制造革命性的重新定义了物件的生产制造方式。在微纳米尺度上，Nanoscribe基于双光子聚合技术的增材制造手段加工精度*，几乎可以满足任何形状物件的3D加工。无论结构的简单还是复杂，Nanoscribe自动化三维无掩模光刻工艺均可做到所需器件的一步加工成型，甚至对于复杂的生物器官组织的加工也是如此，真正做到了所见即所得。

展望未来，研究人员们表示还将继续探索各种碳纳米点阵结构以及其他材料的点阵结构。作者们也希望碳纳米点阵结构材料能够取代Kevlar纤维成为新一代的超轻抗冲击吸能材料。本文的主要合作对象——清华大学的李晓雁研究团队，长期从事新型微纳米结构材料力学研究，是国际以及国内相关研究领域*的带头人之一。

欢迎阅读原文献：

Portela, C.M., Edwards, B.W., Veysset, D. et al. Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon. Nat. Mater. 20, 1491–1497 (2021).

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