尽可能轻，同时尽可能坚固：这些是现代轻质材料的要求，例如用于飞机制造和汽车工业的材料。来自 Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) 和汉堡工业大学 (TUHH) 的一个研究团队现在已经为未来的超轻材料开发了一种新的材料设计方法：在不同层次上形成嵌套网络的纳米级金属支柱提供了惊人的强度。

该研究小组在最新一期的《科学》杂志上展示了其研究结果。

当埃菲尔铁塔于 1889 年落成时，它被认为是一个技术奇迹。大大小小的铁梁巧妙而精致的布置提供了非凡的稳定性，远观当时它是世界上最高的建筑。术语“分层”描述了由较小梁支撑的较大梁的开放阵列的工程方法。几年来，材料科学研究人员一直试图将这种有效的方法转移到材料的内部微观结构中，例如，通过使用可以在微米尺度上复制工程桁架结构的 3D 打印机。

迄今为止，创造新一代极强轻质建筑材料的希望尚未实现。原因之一：“一台 3D 打印机最多只能打印大约 10,000 条光束，这需要几个小时，”HZG 材料力学研究所的 Jörg Weißmüller 教授说，他是当前出版物的合著者。“对于实际应用，这并不是一个真正可行的选择。”

腐蚀银

尽管如此，他的团队正在追求一个更加雄心勃勃的目标：如果可以通过将光束的直径缩小到几纳米来加强光束，它们就可以为新型材料提供基础——特别轻，同时又很坚固。然而，这种材料必须包含数万亿条光束，远远超过最先进打印机的能力。“这就是为什么我们必须通过自我组织来欺骗大自然为我们制造这些材料，”Weißmüller 的同事、该研究的主要作者 Shan Shi 博士解释说。

一开始，该团队使用了 93% 的银和 7% 的金的合金。将该合金浸入稀硫酸中，溶解出大约一半的银。结果，剩余的材料自行重新排列，形成一个精细的纳米级光束网络。之后，材料经过数百度的热处理。“这将网络粗化到150 纳米的光束大小，同时保持原始架构，”施解释说。

在最后一步，用酸洗掉剩余的银，只留下平均孔径为 15 纳米的金束。结果是一种分层结构的材料，具有两种截然不同的光束尺寸，与埃菲尔铁塔不同。由于其开放的网络结构，这种新材料由 80% 至 90% 的空气组成，使其密度仅为固体金属的 10% 至 20%。

出奇的轻，出奇的强

研究小组随后测试了他们毫米大小的样品的机械性能。“鉴于这种材料的低密度，它在强度和弹性模量等关键机械参数方面显示出异常高的值，”Jörg Weißmüller 说。“我们已经去除了大部分质量，只留下了很少的东西，但这种材料比迄今为止最先进的材料要坚固得多。” 他说，这首次证明了分层结构不仅对埃菲尔铁塔等宏观工程桁架结构有益，而且对轻质网络材料也有益。

这种新材料尚不适合用于轻型结构的应用——黄金对于该用途来说太贵、太重和太软。然而，可以想象，新的 HZG 材料设计方法可以转移到其他技术上更相关的金属，如铝、镁或钛。然后研究人员将不得不面对另一个挑战：到目前为止，他们只能制造毫米级的小样品。“但通过我们的工艺制造电线甚至整块金属板似乎是完全可行的，”Weißmüller 说。“届时，这种材料将在现实生活中变得有趣，例如，在更轻、因此更节能的车辆的新概念中。”