本
文
摘
要
文/凯瑟琳•布尔扎克
加州理工学院一位科学家创建出蕴藏巨大潜力的微晶格。这种材料的结构可进行精确剪裁，因此材料本身十分强健，但又具有柔性且重量极轻。比如说，传统瓷器通常比较强健、沉重，且脆弱（每个摔过盘子的人都知道）、易碎裂。但去年，基于这种材料结构的新型瓷器被发明，这是有史以来最强健、重量最轻的物质之一，且，这种瓷器还不脆弱。图中的陶瓷立方体每侧长约50微米，其中充斥大多为空气，因而很轻
探访加州理工学院材料科学家朱丽娅·格里尔的实验室，就像踏入一方奇特的天地，在这里，所有物理材料科研人员的一般准则都不适用。
格里尔设计、建造的纳米材料，其性质与特点让我们这些习惯于那些寻常很强健的材料的人都大感惊叹，像瓷器和钢等常见材料，一般都很重，而重量较轻的材料通常比较弱。
不过，在格里尔掌控纳米材料的体系结构后，规则开始改变。
传统瓷器通常比较强健、沉重，且脆弱（每个摔过盘子的人都知道）、易碎裂。但去年，格里尔发明了一种新型瓷器，是有史以来最强健、重量最轻的物质之一。而且，这种瓷器还不脆弱。
格里尔制作过一个视频，在桌上放置一块立方体材料，在其上重重压下一个实验室用具，立方体稍微颤动，继而倒塌。移除压力后，立方体又像“一个受伤的士兵”一样恢复原状，格里尔说。
“很不真实，是不是？”，格里尔常常像脚下踩着风火轮一样，在校园里匆匆而行，赶赴大大小小的会议，她说话很快，听者需要集中精神才能领会她的意思。
在凝视着电脑屏幕上这幅外表美观、看起来超凡脱俗的纳米晶格时，她才会暂时放慢自己的节奏。
格里尔所发明的材料如果可大量生产，将取代目前广泛应用的复合材料及其他材料，因为这种新材料尽管很轻，却很强劲。它的另一种可能应用是，大大增加电池的能量密度，即在既定尺寸下电池内所保有的电量。
基于这一目的，研究人员试图开发出比目前人们日常生活所用电池更轻、但储存能量更多的电极材质。而一些很有潜力的电极材料，比如硅等，在压力下很容易破裂。电极表面如果覆盖一层含硅的金属纳米晶格，将可拥有抗破裂的强健结构。
格里尔在自己位于加利福尼亚理工学院的实验室，手持一款金属原子结构模型
这些圆盘用来存放纳米晶格
一台扫描电子显微镜，显微镜上设置有一支臂，可压缩并弯曲纳米结构
对纳米材料的体系结构稍作调整，即产生与众不同的结构模式，这些结构同时具有特殊性能
创造出如此令人称奇的材料，最关键的一点是拥有一个专用器械库——格里尔为此曾专门构建了许多设备，这样她便可在相对较大的区域内精准地控制纳米级结构。
格里尔通常慢跑下两层楼梯来到其位于地下的实验室，她将所有精密仪器都放在此处，以防受到震动。
在两层厚厚的黑色窗帘后面，放着一台3D打印机，打印机通过激光闪烁可慢慢构建出聚合物整个复杂的结构。格里尔的一个学生分别在聚合物外表涂覆了一层金属、陶瓷或其他材料，然后刮去侧边，这样就能对聚合物内部进行刻蚀。
最终出现的是这样一小块材料：纳米级十字支架结构，像是埃菲尔铁塔上的支架，但每根支架的壁厚仅10纳米。
不适用格里尔的方法，根本不可能构建出类似的东西。她向我展示了一个她早期与其他研究员在加利福尼亚马里布HRL实验室共同合作的一个样品，这些研究员当时正致力于创造构架更大的微尺度材料。
这款样品由镍原料制成，看起来像一种金属清洁海绵。格里尔把它放到我手里的时候，几乎感受不到任何接触，这实在颠覆了我的想象，让我困惑不已。这种金属，毫不夸张的说，甚至比羽毛还轻，可用于超轻型隔热，而这正是她HRL实验室的同事们所孜孜追求的。
上述轻如羽毛的镍材料表明：格里尔在制造拥有奇异特性的新材料时有望实现体系结构控制，它同样提醒我们发问，格里尔能将这种方法扩展到什么程度：到目前为止，格里尔无法生产出足够多的、可大量供给的纳米结构材料。
格里尔决定将自己的纳米制造技术用到多种不同材料上，很多合作者都对这些材料独特的特性表示了兴趣。她可以在发光材料或隔热材料中添加纳米级间隔层，从而准确控制光或热的流动。
目前，格里尔正与两家电池制造商合作，运用她所研制的纳米结构来研究电化学。她还与生物学家合作，研究纳米结构陶瓷是否能用作骨生长支架——比如塞在耳朵内的微小支架，这些支架退化会导致失聪。
格里尔希望这些应用可行，所以她在努力加快自己关于高分辨率激光打印的研制进程。去年，格里尔研制出一种六毫米的方形纳米结构陶瓷片，其厚度就像一张纸，但格里尔整整花费了一周时间才制作出来。
“我们做科学实验用的话，不需要太多，”她说。“现在的问题是：要如何称量？”
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