編者按：在科技迅猛發(fā)展的當(dāng)下，從高精尖設(shè)備的研發(fā)，到對(duì)深海、外太空等極端環(huán)境的大膽探索，每一項(xiàng)革新與突破的背后，都離不開新型先進(jìn)材料的支撐！“逆天改命”新材料系列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學(xué)家們的巧妙設(shè)計(jì)以及前沿技術(shù)的加持，徹底改寫了自身的一些固有特性，從而打破命運(yùn)的枷鎖，以全新的姿態(tài)，肩負(fù)起推動(dòng)人類文明邁向未來的重任！

隨著人類科技水平的提升，許多曾在歷史長(zhǎng)河中大放異彩的工具或裝備都逐漸淡出了人們的視野。比如能夠有效抵御刀劍劈砍的中世紀(jì)鎖子甲。

但你有沒有想過，當(dāng)古代的鎖子甲遇上21世紀(jì)的納米科技，又會(huì)碰撞出怎樣的火花呢？

這項(xiàng)發(fā)表于《科學(xué)》（Science）期刊的研究介紹了一種新型防護(hù)材料：二維機(jī)械互鎖聚合物（2D MIM）。它不走尋常路，其分子之間并非僅靠化學(xué)鍵連接，而是竟然像鎖子甲中的金屬環(huán)一樣彼此嵌套，在微觀層面形成了密密麻麻的“分子鎖鏈”。

“二維分子鎖子甲”的結(jié)構(gòu)示意圖 （圖片來源：美國(guó)西北大學(xué) Mark Seniw）

這種材料的2D 聚合物層在每平方微米擁有約100萬個(gè)機(jī)械鍵合點(diǎn)（mechanical bond），換算一下，每平方厘米就可包含100萬億個(gè)機(jī)械鍵合點(diǎn)！只需將其少量添加進(jìn)塑料中，就能顯著提升成品的強(qiáng)韌度。如果相關(guān)的技術(shù)能夠被投入應(yīng)用，未來人們?cè)趯?duì)極端環(huán)境進(jìn)行科學(xué)探索，或開展極限運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)擁有更加強(qiáng)悍的防護(hù)裝備啦！

騎士的金屬環(huán)鎖子甲，變身成現(xiàn)代“分子鏈甲”

鎖子甲是一種中世紀(jì)歐洲騎士常用的防護(hù)裝備，在我國(guó)古代，鎖子甲也被稱為“環(huán)鎖鎧”，它雖然普及得較晚，但當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到其優(yōu)異的防護(hù)性能后，便對(duì)其進(jìn)行了豐富的“本土化”改進(jìn)，衍生出性能更佳的連環(huán)甲、山文甲等。

這類鎖子甲絕非展示用的“花瓶”擺設(shè)。它能夠通過自身一環(huán)扣一環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在承受沖擊時(shí)，通過環(huán)與環(huán)之間的滑動(dòng)自由度，將沖擊力分散到周圍的環(huán)上，采用一種“化整為零”的思想，緩解單個(gè)金屬環(huán)所承受的沖擊，從而能夠有效抵御銳利冷兵器的劈砍。

鎖子甲比板甲輕便，并能有效抵御銳器的劈砍 （圖片來源：維基媒體）

然而，當(dāng)軍事發(fā)展到近代，火槍等熱武器的出現(xiàn)徹底顛覆了戰(zhàn)場(chǎng)規(guī)則，面對(duì)高速、高溫的子彈，鎖子甲不具備有效的抵抗能力，因此逐漸失去用武之地，淡出了人們的視野。

熱武器的出現(xiàn)和普及 讓鎖子甲逐漸淡出了歷史舞臺(tái) （圖片來源：維基媒體）

直到來自美國(guó)西北大學(xué)的研究人員創(chuàng)新性地將“鎖子甲”的理念搬進(jìn)了納米世界。他們合成的二維機(jī)械互鎖聚合物（二維的意思是指這種材料的分子環(huán)在平面方向上延展），就相當(dāng)于是一種分子級(jí)的“鏈甲”。

該材料中的分子在結(jié)構(gòu)上就如同一個(gè)個(gè)微縮的鐵環(huán)，它們互相穿插，彼此卡住，巧妙依靠“機(jī)械互鎖”結(jié)構(gòu)（各個(gè)單元仍通過共價(jià)鍵作用連接組裝），使其可以保持一定的滑動(dòng)自由度。最終，當(dāng)這種微觀層面的“鐵環(huán)”被編織成一整張“分子網(wǎng)”，它也就擁有了無與倫比的強(qiáng)韌度。

中世紀(jì)的鎖子甲只能擋住刀劍劈砍，而這種納米鏈甲，則有潛力成為未來的泛用型超級(jí)護(hù)甲，其應(yīng)用前景也將不再只限于軍事領(lǐng)域。

100萬億個(gè)機(jī)械互鎖點(diǎn)，撐起一張“堅(jiān)不可摧”的網(wǎng)

為何現(xiàn)代“鎖子甲”如此強(qiáng)悍？關(guān)鍵就在于它擁有密度驚人的機(jī)械鍵合點(diǎn)。

研究人員計(jì)算過，在這張“二維”材料里，每平方厘米就含有高達(dá)100萬億個(gè)機(jī)械互鎖的結(jié)合點(diǎn)。這個(gè)數(shù)字是什么概念呢？它代表的其實(shí)是世界上已知最高的機(jī)械鍵密度！

研究人員自豪地表示，這種材料就像鎖子甲一樣，能通過每個(gè)“互鎖點(diǎn)”的滑動(dòng)來分力。當(dāng)它受到拉扯，就會(huì)立刻把力向多個(gè)不同的方向分散，之后成千上萬個(gè)“鎖扣”會(huì)“共同”來承擔(dān)這股力。

所以，若要真正破壞這種結(jié)構(gòu)，人們也就需要在成千上萬個(gè)地方，同時(shí)進(jìn)行有效地破壞，這顯然是極難做到的。

科幻電影中的超級(jí)盔甲 （圖片來源：《明日戰(zhàn)記》劇照）

看科學(xué)家如何用分子“編織”

古代鎖子甲的結(jié)構(gòu)以今天的眼光來看并不復(fù)雜，然而受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)，人們需要手工來進(jìn)行穿環(huán)和閉合，制作過程非常繁瑣，耗時(shí)也極長(zhǎng)！那么對(duì)于如今的這個(gè)“魔改”版的分子鎖子甲，要穿起其中百萬億級(jí)別的“分子環(huán)”，制作起來豈不是會(huì)難于登天？

鎖子甲的制作工序繁瑣，成本較高 （圖片來源：《怒晴湘西》劇照）

然而事實(shí)上，研究人員采用了一種相當(dāng)巧妙的方法，可以高效、成規(guī)模地制作這種“分子鏈甲”。

首先，他們會(huì)挑選一類特殊的X形單體分子，并讓它們依靠化學(xué)鍵相連，排列成高度有序的晶體結(jié)構(gòu)。

這些分子形狀所“自帶”的空隙，相當(dāng)于一個(gè)個(gè)環(huán)結(jié)構(gòu)。科學(xué)家們可以在這些空隙中穿插其他分子鏈，開始他們的“編織”。

之后，研究人員引入另一種分子，讓晶體內(nèi)部的分子之間形成機(jī)械結(jié)合點(diǎn)，就像一個(gè)個(gè)鐵環(huán)彼此鎖在了一起，逐漸形成像鎖子甲那樣環(huán)環(huán)相扣的分子結(jié)構(gòu)。

最后，研究人員只需要利用相應(yīng)的溶劑，來破壞片層之間的氫鍵，就可以令片層相互脫離（不會(huì)損傷已被編入“二維鎖子甲”結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵和機(jī)械連接點(diǎn)），分離出一層層完整的“二維”互鎖聚合物薄片。

新材料內(nèi)彼此機(jī)械互鎖的“分子環(huán)”示意圖 （圖片來源：美國(guó)西北大學(xué) Mark Seniw）

鎖子甲內(nèi)彼此機(jī)械互鎖的金屬環(huán) （圖片來源：維基媒體 Topi Pigula）

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，將新材料應(yīng)用到更多領(lǐng)域

為了能進(jìn)一步提升防護(hù)能力，研究人員還為新研發(fā)的“分子鎖子甲”找了個(gè)搭檔！

他們選用的是工程塑料中的“明星”——Ultem材料。這本身就是一種強(qiáng)度極高的聚合物，一直被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等高端領(lǐng)域。

當(dāng)二者結(jié)合后，成品復(fù)合材料的性能測(cè)試結(jié)果相當(dāng)驚人！研究人員發(fā)現(xiàn)只在Ultem中加入2.5%的“二維”互鎖聚合物，材料的抗變形能力就提升了45%，拉伸強(qiáng)度則增加了22%。

科幻片中用來保護(hù)科研人員的未來護(hù)甲 （圖片來源：《普羅米修斯》電影）

換句話說，通過額外“加入”一點(diǎn)點(diǎn)這種“分子鎖子甲”，人們可以讓原本已經(jīng)很強(qiáng)的材料變得更強(qiáng)！未來，在護(hù)具的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，人們既可以利用這種材料來額外提升強(qiáng)度，也可以在保持原有強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，通過引入這種新材料，來將護(hù)具做得更輕、更薄。

陶瓷防彈插板過于笨重，以至于有些士兵寧可冒險(xiǎn)放棄這種防護(hù) （圖片來源：維基媒體 Lan Kim）

通過將古人在軍事領(lǐng)域的工匠智慧借鑒到最新的材料學(xué)研究中，研究人員開發(fā)出了這種在分子層面“二維”機(jī)械互鎖的新材料。它既堅(jiān)固又具有一定的柔韌性，和其他聚合物材料結(jié)合后，若可以被投入應(yīng)用，則有望在科研探索、體育護(hù)具、航空航天、汽車工業(yè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮出重要作用！

歷史上的“鎖子甲”可能只是戰(zhàn)士的鎧甲，但如今這個(gè)21世紀(jì)的“分子鏈甲”，則有望成為全人類科技文明的護(hù)甲！

未來，它或許不僅可以作為新一代的通用防護(hù)材料，被用來守護(hù)我們的日常生活與生產(chǎn)安全，還可能通過與其他材料復(fù)合，來助力人類建造出更宏偉的工業(yè)造物，開展更大膽的科學(xué)探索。

作者：宋世超

審核專家：李好義 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 副教授

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