有史以來最堅硬的多孔輕質材料誕生！

TH的研究人員開發並製造了一系列能最大限度提高多孔輕質材料剛度的結構，開發更硬的設計實際上是不可能的。3d列印和其他添加劑生產技術使得製造內部結構具有以前無法想像的複雜性材料成為可能。這對於輕質建築也很有趣，因為它可以開發出內部空隙儘可能多的材料(使材料儘可能輕)，同時又儘可能堅固。要實現這一點，需要智能地組織內部結構，以獲得最大的效率。

板狀柵格將是未來輕質多孔材料的首選設計。圖片：ETH Zurich / Marc Day

博科園-科學科普：德克?莫爾(Dirk Mohr)是製造材料計算建模教授，他領導的一個來自蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)和麻省理工學院(MIT)的研究團隊，開發和製造了在所有三個維度上都同樣堅固、同時又極其堅硬的材料結構。從數學上確定具有內部空洞的材料在理論上能有多硬是可能，莫爾的結構已經被證明非常接近這個理論的最大剛度。換句話說，在給定的重量下，幾乎不可能開發出更堅固的其他材料結構。

板取代桁架

該設計的一個特點是，材料內部的剛度是通過板格而不是桁架實現。桁架原理非常古老，長期以來，它被用於半木結構房屋、鋼橋和鐵塔，如埃菲爾鐵塔。我們可以看穿桁架格，所以它們通常被認為是理想的輕量結構，然而利用計算機計算、理論和實驗測量，現在已經建立了一個新的板格結構家族，其強度是相同重量和體積的桁架的三倍」(見框)。不僅這些結構的剛度(抗彈性變形)接近理論最大值，它們的強度(抗不可逆變形)也接近理論最大值。

這是有史以來最堅固的結構之一。圖片：Tancogne-Dejean T et al. Advanced Materials 2018

ETH的研究人員最初在計算機上開發了這些晶格，並計算了它們在這一過程中的性質。然後他們從塑料到3d列印，以微米級的尺寸生產。然而莫爾強調，這種設計的優點是普遍適用的——適用於所有組成材料，也適用於所有長度尺度，從非常小(納米大小)到非常大。

在他們的時代之前

莫爾和他的研究團隊在這些新格子上走在了時代的前列：目前3d列印的製造成本仍然相對較高。如果這些格子是由不鏽鋼製成，每克的成本將和銀一樣高。但是當加法製造技術為大規模生產做好準備時，突破就會出現。輕質結構目前的成本限制了其在飛機製造和空間應用方面的實際用途，因此也可用於重量起作用的廣泛應用領域。

添加劑製造的聚合物板格(左)和桁架格(右)的例子，左邊的立方體是由厚度只有2微米的板構成的，兩個立方體的邊長都是0.2毫米。圖片：Tancogne-Dejean T et al. Advanced Materials 2018

除了使結構更輕，大量的空隙也減少了所需的原材料數量，從而也降低了材料成本。潛在的應用沒有限制，醫用植入物、筆記本電腦外殼和超輕型汽車結構只是眾多可能例子中的三個。當時機成熟時，只要輕質材料大規模生產出來，這些周期性的板格就會成為設計的首選。

在所有三個維度(從上到下，從左到右，從後到前)承受荷載時，板格都比桁架格具有明顯的優勢。下面的思維實驗有助於理解這一點：想像兩個外牆很薄的立方體。在它們內部有支柱，以防止立方體在施加外部壓力時被壓縮。一個立方體使用桁架，另一個使用板(見圖)。在這兩種情況下，材料的體積，因此內部結構的重量是相同的。

如果從上面向桁架結構(中心)施加一個力，三個柱(黃色)中的一個柱(黃色)會承受這個力。另外兩個支板(藍色)對穩定性沒有貢獻，但如果力來自另一個方向，則需要它們。相反如果力從上面作用到板格(右)，三個板中的兩個有助於它的穩定性(黃色的)，這種形式更好地利用了內部struts，因此效率更高。圖片：ETH Zurich

博科園-科學科普｜研究/來自：蘇黎世聯邦理工學院

參考期刊文獻:《Advanced Materials》

DOI: 10.1002/adma.201803334

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