http://newsoffice.mit.edu/2014/new-ultrastiff-ultralight-material-developed-0619
基於重複微型單元的奈米結構化材料，在低密度下具有破紀錄的剛度（stiffness）。請看影片。
David L. Chandler | MIT News Office
June 19, 2014
艾菲爾鐵塔（Eiffel Tower）與華盛頓紀念碑（Washington Monument）之間有何不同？
二個結構物都高聳雲霄，而且每一個在完成時都是當時世上最高的建築物。但華盛頓紀念碑是沈重的石造結構，而艾菲爾鐵塔則利用格狀的鋼樑、鋼柱（那幾乎是開放的，強度則來自這些元素的幾何排列），達到類似的強度。
現在，位於 MIT 與 LLNL 的工程師，發明一種方法，將這種輕盈但格外強健的結構轉化至微米級 -- 他們設計出一套系統，能以各種不同的材料，例如金屬或聚合物製造，而那可能在一給定重量下，創下剛度的新紀錄。
這種在 Science 期刊上描述的新設計由 MIT 的 Nicholas Fang、前博士後 Howon Lee（現在是 Rutgers 大學助理教授）、訪問研究者 Qi "Kevin" Ge、LLNL 的 Christopher Spadaccini 與 Xiaoyu "Rayne" Zheng 與其他八人所完成。
作者們表示，這種設計是基於具奈米級特徵（features）之微格狀物（microlattices）的運用，結合了高剛度、強度與超低密度。這類材料的實際生產唯有透過高精確度的 3D 列印製程，稱為投射式微立體微影術（projection microstereolithography），才有可能辦到。這種製程是 Fang 與 Spadaccini 小組間，自 2008 年以來的合作研究的成果。
一般來說，Fang 解釋，任何材料的剛度與強度會隨著密度下降而減少；那也是為何當骨質密度減少時，會更容易骨折。但利用由數學所決定的正確結構來分散與引導負荷 -- 垂直、水平與斜梁的排列方式如同艾菲爾鐵塔 -- 這種較輕的結構物得以維持其強度。
一個驚喜
這種微結構（microstructures）的幾何學基礎在十幾年前就已經決定，Fang 說，不過花了好多年的時間才從「數學上的理解」轉變成 "「某種我們能夠列印的東西」，利用數位投射（digital projection），將紙上的實體模型轉換成某樣我們能掌握在手中的東西。" 他補充道：結果就是「一個驚喜」，表現甚至比預期更好。
"我們發現，對於一種如氣凝膠（aerogel，一種玻璃泡沫）般輕巧、稀疏的材料來說，我們看到其機械剛度能與實心橡膠相比，而且強度比相同密度的相似物強 400 倍。這樣的樣本能輕易承受超過其本身重量 16 萬倍的荷載，" Fang 說，Brit and Alex d’Arbeloff Career Development 工程設計副教授。到目前為止，MIT 與 LLNL 的研究者利用此製程測試過三種工程材料 -- 金屬、陶瓷與聚合物 -- 全部都在輕量化下展現出相同的強硬特性。
"這種材料名列世上最輕的材料，" LLNL 的 Spadaccini 表示，"然而，因為其微結構化外型，在相當的密度下，它展現出比已知材料（如氣凝膠）還要高出 4 個數量級以上的剛度。"
輕盈材料，沈重荷載
這種方法對於任何有結合高剛度（荷重）、高強度與輕量之需求的地方，都將十分有用，例如佈署在太空中的結構物，在這種地方，一絲一毫的重量都將顯著增加發射成本。但 Fang 表示，在更小的尺度下也有許多應用，例如可攜式裝置的電池，大家都渴望減輕其重量。
這些材料的另一種特性是，它們能以非常均一地（uniformly）方式傳導聲波與彈性波，意味著，它們能導致新的聲學材料，Fang 表示，那能夠幫助控制波如何在一曲面上折彎。
過去幾年來，也有其他人提出類似的結構性原理，例如由 MIT Center for Bits and Atoms (CBA) 的研究者在去年提出來的一項提議，可以把那材料剪裁成平板，並組合成微小的單元體（unit cells）以製造出更大的結構。不過這個概念可能需要由尚未被發明出來的機器人系統來組裝，Fang 說，他已經與 CBA 研究者討論過這個問題。而 Fang 的技術則利用現在就能夠實作的 3D 列印技術。
德國 Karlsruhe Institute of Technology 機械工程教授 Martin Wegener 表示，"所產生的超材料，其重量特輕，然而強度卻超乎你從彈性固體的尋常縮放比例所能預期的結果，具有顯著的技術利益。這篇論文在這個方向上提供一個有用的貢獻。"
這項研究由 DARPA 與 LLNL 資助。
※ 影片詳見原站。相關報導：
＊ Ultralight, ultrastiff mechanical metamaterials
http://www.sciencemag.org/content/344/6190/1373.abstract
Xiaoyu Zheng, Howon Lee, Todd H. Weisgraber,＊ 世上最輕的材料
Maxim Shusteff, Joshua DeOtte, Eric B. Duoss,
Joshua D. Kuntz, Monika M. Biener, Qi Ge,
Julie A. Jackson, Sergei O. Kucheyev,
Nicholas X. Fang, Christopher M. Spadaccini.
Science 20 June 2014: Vol. 344 no. 6190 pp. 1373-1377
doi: 10.1126/science.1252291
＊ 研究發現為何固體中的原子偏好某些結構
＊ 第一個完全以2D 材料製成的電晶體
＊ 物理學家發現如何改變石墨烯的晶體結構
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