使砖轻如鸿毛

一般来说，坚固的材料往往也很重。在以飞机为例，更多的重量意味着更多的燃料消耗，这意味着更高的运行成本。因此，加州理工学院的科学家茱莉亚·格里尔正在使用3D打印技术生产新材料，这些材料的形状和结构使它们超级坚固，但也非常轻。她向Kat Arney解释了这项技术的光明前景。

朱莉娅:我们使用的技术叫做双光子光刻技术。这有点像3D打印，但它能够生成尺寸小得多的特征。所以，我们正在做的是我们使用双光子光刻技术在聚合物中写出一个开放细胞的结构，然后我们用不同的材料覆盖这些聚合物的支架，然后我们溶解最初的聚合物基质。所以，在某种程度上，这是一个牺牲的支架，我们在最后摆脱，所以最终的结构是非常非常轻的重量。但由于这些结构的壁厚是纳米级的，我们也能够控制它的强度。因此，我们能够制造出既坚固又轻便的材料。

我把它想象成一个晶格结构。也许就像埃菲尔铁塔的结构。你把它制成聚合物，然后在上面涂上这些非常非常小的纳米颗粒来构建这些非常坚固的结构。你就是这么做的吗?

朱莉娅:非常接近。你说得很对。唯一的问题是我们没有用纳米粒子包裹它，而是用一层连续的保形薄膜包裹它。想象一下，一个二维的纳米带，可以这么说，你把它包裹在一个三维的建筑上，然后你去掉里面的东西，这样你就建造了一个空心的埃菲尔铁塔。所以，它实际上是一个埃菲尔铁塔，每个支柱本身就是一个管道。

凯特-现在我们知道像埃菲尔铁塔这样的东西，是一个非常轻的结构，因为它充满了洞，但也很坚固。你可以用这些材料做什么?它们有多强?

朱莉娅:嗯。你告诉我。所以，想象一下用我们的纳米桁架做一块砖。当它放在你手上的时候，它看起来像一块砖，闻起来像一块砖但是如果你把它扔到空中，它会比羽毛下落的速度慢。但与此同时，它将和钢或陶瓷一样坚固。所以，你可以用这些来做积木，比如，如果你需要在太空中推动一些东西。你会很欣赏它的轻重量，但同时材料必须足够坚固，能够承受真空的压力。所以，任何一种你需要把东西推到空中或太空的应用，或者一座桥。或者是一些重量很重要但仍然需要强度的东西，它们真的很适合。此外，它们还具有抗损伤能力。 So, it's very hard to tear them apart, for example, or to break it. So, for any kind of a cushioning application where you need to protect a sensitive device. So as a foam or as a wrapping paper, that would work really well too.

Kat -我们刚刚听说有人正在使用这种打印技术来修理喷气发动机。但很明显，喷气式飞机非常非常重，不管乘客和有效载荷如何，仅仅让飞机跨越大西洋就需要消耗大量的燃料。那么，这项技术能否，比如，使航空旅行更便宜或者使用更少的燃料?

朱莉娅:完全正确。所以，如果我们把这些纳米桁架放在飞机的皮肤上。即使我们用这些材料取代目前使用的50%，我认为我们可以从节省的燃料成本中获益良多。因此，即使是飞机重量的微小减少，也会极大地降低推动这些非常沉重的机器在空中飞行所需的燃料价格。所以，我们现在的材料，我们不能大量生产它们但如果我们可以用它们制作纸张。我们的愿景是，我们可以像打印纸巾一样有效地卷对卷打印这些东西。我们可以用它来做飞机的外壳，把它包裹在飞机上，这样飞机就轻了很多。这项技术的一个非常巧妙的地方是，这些纳米桁架材料可以用任何可用的材料制成。它可以是陶瓷，可以是金属，也可以是半导体。因此，对于这些高温应用，当然是在喷气发动机中，它非常热。 We can use ceramics and they're generally very robust to high temperature and so we can make these nearly hollow ceramics that are robust to high temperature and robust to mechanical damage and incorporate them as part of the jet engines, and thereby we would significantly reduce the weight of the airplane without having to sacrifice any other properties like the ability to withstand high temperatures and damage tolerance.

这听起来确实很棒，但这离现实有多近呢?你认为多久能看到这些类型的材料，甚至可能被用于商业应用?

朱莉娅:哦，我想可能会在未来一两年。实际上，我们已经非常接近能够批量生产这些产品了。目前的主要障碍是聚合物基体的书写。在这个步骤中，你要沉积一层适形涂层，实际上就是我描述的纳米带，另一种材料，一层薄膜材料，然后移除最初的聚合物支架。这些技术今天已经存在，所以它们根本不会成为节目的阻碍。这是书写过程，双光子光刻本身是一个相对缓慢的过程。所以，我们正致力于开发一种不同的技术，使我们能够快速生成这些模式，它们不必那么复杂，只要我们能快速完成就行。所以，我们正在寻找其他技术，并与几家公司合作，试图找出最合理的方法，但我们的愿景是尝试卷对卷打印，这样我们就可以生成这些材料的薄片，然后可能被层压或以某种方式堆叠在一起，以形成更大的三维结构。