过往，人类使用的抗冲击防爆材料主要由钢、铁和铝等沉重的金属构成。多年以来，科学家们一直在研制更轻、功能性更强的抗撞击防爆材料。其中，最出名的当属美国杜邦（DuPont）公司研制的对位芳纶凯夫拉（Kevlar）纤维。Kevlar纤维的抗拉性能极佳，其强度为同等重量钢铁的5倍，但密度仅为钢铁的五分之一，而且不会像钢铁般在氧气和水汽环境下产生锈蚀。然而，Kevlar也存在一些弱点，比如在碱性环境下或长期暴露于氯及紫外线下时会发生降解。
　
　　纳米结构材料由图案化的纳米级结构组成，根据其不同的排列方式可以赋予材料独特的弹性和超轻特征。因此，纳米结构材料可能成为更轻、更坚固的抗冲击材料。近日，来自麻省理工学院和加州理工学院的研究团队研发出一款可抵抗超音速微粒“子弹”撞击的神奇材料，有望成为Kevlar纤维的理想替代品。据悉，这款材料由精确图案化设计的超轻纳米碳纤维组成，不仅比人头发丝直径还薄，而且具有超强的韧性和机械强度，可以抵抗超音速的微粒“子弹”。如果在工业上实现大规模生产，这款材料将有望大幅度提升轻质装甲、防护涂层、防爆盾牌和其他抗冲击装备的总体性能。

　　相关论文以 "Supersonic impact resilience of nanoarchitected carbon" 为题，于 6 月24日发表在《Nature Materials》上。

　　激光打印图案化结构，碳化后秒变弹性纳米碳材料

　　为了研究快速变形条件（如高速撞击）下的纳米结构材料，研究团队选择在纳米单位上重复打印一种复杂的十四面体结构。

　　双光子光刻（two-photon lithography）是目前领先的一种激光 3D 打印技术，可以用高功率激光固化光敏树脂的微观结构，从而将打印分辨率提高到难以置信的精度。研究人员使用双光子光刻技术来打印这种纳米结构材料。首先在纳米尺度上通过重复模式构建了十四面体——一种由微观支柱组成的晶格结构；再对晶格结构进行图案化，之后研究人员洗掉了剩余的树脂并将其放入高温真空炉中，将聚合物碳化，从而生产出超轻的纳米结构碳材料。

　　能抵抗比音速还快的微粒“子弹”

　　为了测试新型材料在极端变形条件下的弹性，研究团队使用激光诱导粒子冲击测试进行了微粒撞击实验。首先，研究人员用超快激光对准涂有金薄膜的载玻片，该载玻片本身在金薄膜外还覆盖着一层 14 微米厚的二氧化硅微粒。当激光穿过玻片时，其产生的等离子体可以将二氧化硅微粒沿着激光的方向急速推进。当激光穿过载玻片时，它会产生等离子体，或从金中快速膨胀的气体，将氧化硅颗粒沿着激光的方向急速推进。这导致微粒向目标快速加速。在实验过程中，研究人员通过调整激光的功率来控制微粒“子弹”的速度，微粒子速度的范围从 40 m/s到超音速的 1100m/s不等（手枪,一般口径4.5~9mm,子弹出口速度一般300~500m/s,有效射程10~50m；步枪,一般口径5.5~7.62 mm,子弹出口速度大约700~800m/s,有效射程可达1000m）。随后，研究人员使用高速摄像机，捕捉到了微粒与纳米结构碳材料碰撞的画面。

　　微粒撞击的过程及其对材料结构的影响

　　值得一提的是，超音速是指每秒大约340 m以上的任何速度，也就是海平面上空气中的音速。因此，这次实验中微粒的最大速度已经达到了音速的两倍以上。

　　纳米结构碳材料的密度越大，弹性越强，可吸收的能量越多。进一步研究发现，纳米结构碳材料的密度越大，碳结构的弹性越强，它们会很好地吸收冲击力，阻止微粒穿透。而且微粒往往会嵌入材料中，而不是直接将它撕裂。

　　为了更仔细地观察，研究人员仔细地切开嵌入的微粒和材料，发现在嵌入微粒正下方的区域中，微观支柱和梁在撞击时已经皱缩并压缩，但周围的结构仍然完好无损。

　　研究证明，相较于致密和整体式的结构来说，这种由十四面体构造的纳米材料可以吸收大量能量。而且，与相同重量的凯夫拉纤维相比，这种材料在阻止弹射方面的效率更高。