麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击

麻省理工学院的微观超材料可抵御超音速撞击 这就是麻省理工学院工程师在微观超材料实验中的发现这些材料是有意打印、组装或以其他方式设计的，其微观结构赋予了材料整体特殊的性能。在最近发表在《美国国家科学院院刊》上的一项研究中，工程师们报告了一种快速测试超材料结构阵列及其对超音速撞击的适应性的新方法。通过以超音速发射微粒子，麻省理工学院的工程师们可以测试各种超材料的弹性，这些超材料是由小到一个红血球的结构制成的。图为微粒子撞击超材料结构的四段视频截图。图片来源：研究人员提供在实验中，研究小组将印刷好的微小超材料晶格悬挂在微观支撑结构之间，然后以超音速向材料发射更微小的粒子。然后，研究小组利用高速摄像机以纳秒级的精度捕捉每次撞击及其后果的图像。他们的研究发现了一些超材料结构，与完全固态、非结构化的同类材料相比，它们更能抵御超音速撞击。研究人员说，他们在微观层面观察到的结果可以推广到类似的宏观冲击，从而预测新材料结构在不同长度尺度上如何抵御现实世界中的冲击。研究人员打印出错综复杂的蜂窝状材料，悬浮在相同材料的支撑柱之间（如图）。这种微观结构的高度相当于人类三根头发的宽度。图片来源：研究人员提供"我们正在学习的是，材料的微观结构很重要，即使在高速变形的情况下也是如此，"研究报告的作者、麻省理工学院机械工程系教授卡洛斯-波特拉（Carlos Portela）说。"我们希望找出抗冲击结构，将其制成涂层或面板，用于航天器、车辆、头盔以及任何需要轻质和保护的物体。"该研究的其他作者包括第一作者、麻省理工学院研究生托马斯-布特鲁伊尔（Thomas Butruille）和DEVCOM陆军研究实验室的约书亚-克龙（Joshua Crone）。纯粹的影响团队的新高速实验建立在之前工作的基础上，工程师们在实验中测试了一种超轻碳基材料的韧性。这种材料比人的头发丝还细，由微小的碳支柱和碳束制成，研究小组打印了这些碳支柱和碳束，并将其放置在玻璃载玻片上。然后，他们以超过音速的速度向材料发射微粒子。这些超音速实验表明，微结构材料能够承受高速撞击，有时能使微粒子偏转，有时则能捕获它们。Portela说："但有许多问题我们无法回答，因为我们是在基底上测试材料，这可能会影响它们的行为。"麻省理工学院的工程师们捕捉到了微粒子通过精确设计的超材料发射的视频，其测量厚度比人的头发丝还细。图片来源：研究人员提供在他们的新研究中，研究人员开发了一种测试独立超材料的方法，以观察材料在没有背衬或支撑基底的情况下，自身如何承受撞击。在目前的设置中，研究人员将感兴趣的超材料悬挂在两根由相同基础材料制成的微型支柱之间。根据被测试超材料的尺寸，研究人员计算出两根支柱必须相距多远，才能在两端支撑材料，同时让材料对任何冲击做出反应，而不受支柱本身的影响，这样就能确保我们测量的是材料特性，而不是结构特性。研究小组确定了支柱支撑设计后，便开始测试各种超材料架构。对于每种结构，研究人员首先在一个小型硅芯片上打印出支撑柱，然后继续打印超材料作为柱子之间的悬浮层，在一个芯片上打印和测试数百个这样的结构。穿孔和裂缝研究小组打印出的悬浮超材料类似于错综复杂的蜂巢状截面。每种材料都印有特定的三维微观结构，如重复八面体或多面体多边形的精确支架。每个重复单元的大小与一个红血球相当。由此产生的超材料比人的头发丝还要细。随后，研究人员以每秒 900 米（每小时 2000 多英里）的速度 - 完全在超音速范围内向这些结构发射玻璃微粒子，测试每种超材料的抗冲击能力。他们用相机捕捉了每次撞击，并逐帧研究了生成的图像，以了解射弹是如何穿透每种材料的。接下来，他们在显微镜下检查了这些材料，并比较了每次撞击的物理后果。波特拉说："在建筑材料中，我们看到了撞击后小圆柱形弹坑的形态。但在固体材料中，我们看到了许多径向裂缝和被刨出的大块材料"。总之，研究小组观察到，发射的粒子在晶格超材料上造成了小的穿孔，而材料却保持完好无损。与此相反，当以相同的速度将相同的粒子发射到质量相等的非晶格固体材料中时，它们会产生大裂缝，并迅速扩散，导致材料破碎。因此，微结构材料能更有效地抵御超音速撞击以及多重撞击。尤其是印有重复八面体的材料似乎最坚硬。意见和未来方向"在相同的速度下，我们看到八面体结构更难断裂，这意味着单位质量的超材料能够承受的冲击力是块状材料的两倍，"波特拉说。"这告诉我们，有一些结构可以使材料变得更坚硬，从而提供更好的冲击保护"。展望未来，该团队计划利用新的快速测试和分析方法来确定新的超材料设计，希望能标记出可升级为更坚固、更轻便的防护装备、服装、涂层和镶板的架构。波特拉说："最让我兴奋的是，我们可以在台式机上进行大量这些极端实验。这将大大加快我们验证新型高性能弹性材料的速度。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院在有毒气体检测技术方面取得了突破性进展

麻省理工学院在有毒气体检测技术方面取得了突破性进展 访问：NordVPN 立减 75% + 外加 3 个月时长 另有NordPass密码管理器 新系统结合了两种现有技术，既保留了各自的优点，又避免了它们的局限性。研究小组使用了一种被称为金属有机框架（MOF）的材料，这种材料对微量气体非常敏感，但其性能很快就会退化，研究小组将其与一种聚合物材料相结合，这种材料非常耐用，更易于加工，但敏感性要低得多。麻省理工学院教授 Aristide Gumyusenge、Mircea Dinca、Heather Kulik 和 Jesus del Alamo、研究生 Heejung Roh 以及博士后 Dong-Ha Kim、Yeongsu Cho 和 Young-Moo Jo 今天在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表了一篇论文，报告了这一研究成果。麻省理工学院的研究人员开发出一种探测器，可以低成本持续监测有毒气体的存在。研究小组使用了一种名为金属有机框架（MOF）的材料（图中为黑色晶格），这种材料对微量气体高度敏感，但其性能很快就会退化。他们将 MOF 与一种聚合物材料（如图中的茶色半透明链）相结合，这种材料非常耐用，但灵敏度要低得多。图片来源：研究人员提供MOFs多孔性强，表面积大，有多种成分。有些可能是绝缘体，但本研究中使用的 MOFs 具有很强的导电性。它们的形状像海绵，能有效捕捉各种气体分子，其孔隙的大小可以定制，使它们对特定种类的气体具有选择性。"论文的资深作者、材料科学与工程系 Merton C. Flemings 职业发展助理教授 Gumyusenge 说："如果把它们用作传感器，只要气体对 MOF 的电阻率有影响，就能识别出气体是否存在。这些材料用作气体检测器的缺点是容易饱和，无法再检测和量化新输入的气体。"这不是你想要的。你想要的是能够检测和重复使用，"Gumyusenge 说。"因此，我们决定使用聚合物复合材料来实现这种可逆性。"研究小组使用了一类导电聚合物，Gumyusenge 和他的同事们之前已经证明，这类聚合物可以对气体做出反应，而不会与气体永久结合。"他说："这种聚合物虽然没有 MOFs 那样的高表面积，但至少可以提供这种识别-释放型现象。研究人员在一个实验室规模的小型装置中展示了这种材料检测一氧化二氮（一种由多种燃烧产生的有毒气体）的能力。经过 100 次检测后，这种材料仍能保持其基线性能，误差在 5% 到 10% 之间，这证明了它具有长期使用的潜力。以下是传感装置的布局。图片来源：研究人员提供研究小组将液态溶液中的聚合物与粉末状的 MOF 材料结合在一起，然后将混合物沉积在基底上，干燥后形成一层均匀的薄涂层。他说："通过将具有快速检测能力的聚合物和灵敏度更高的 MOF 以一比一的比例结合在一起，我们突然得到了一种传感器，它既具有 MOF 带来的高灵敏度，又具有聚合物带来的可逆性。"当气体分子暂时滞留在材料中时，材料的电阻会发生变化。只需安装一个欧姆表来跟踪电阻随时间的变化，就能持续监测这些电阻变化。Gumyusenge 和他的学生们在一个实验室规模的小型装置中演示了这种复合材料检测二氧化氮的能力。经过 100 次检测后，该材料仍能保持其基线性能，误差在 5% 到 10% 之间，证明了其长期使用的潜力。此外，研究小组报告说，这种材料的灵敏度远远高于目前使用的大多数二氧化氮检测器。这种气体经常在使用炉灶后被检测到。而且，由于这种气体最近与美国的许多哮喘病例有关，因此对低浓度的可靠检测非常重要。研究小组证明，这种新型复合材料可以可逆地检测到浓度低至百万分之二的气体。虽然他们的演示是专门针对二氧化氮的，但 Gumyusenge 说："我们可以调整化学成分，使其针对其他挥发性分子，只要它们是小的极性分析物，这往往是大多数有毒气体"。除了与简单的手持式探测器或烟雾报警装置兼容之外，这种材料的一个优点是，聚合物使其能够沉积成极薄的均匀薄膜，而不像普通的 MOFs 通常是低效的粉末状。由于薄膜非常薄，因此所需的材料很少，生产材料成本可能很低；加工方法可以是典型的工业涂料加工方法。Gumyusenge说："因此，限制因素可能是聚合物合成规模的扩大，我们一直在少量合成聚合物。"他说："下一步将是在实际环境中对这些材料进行评估。例如，可以在烟囱或排气管上涂上这种材料，通过附带的电阻监测装置读取数据，对气体进行连续监测。在这种环境下，我们需要进行测试，以检查我们是否真正将其与实验室环境中可能忽略的其他潜在污染物区分开来。让我们把传感器放到真实世界的场景中，观察它们的效果如何"。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代

麻省理工学院揭幕"质子之舞"： 开拓能源新时代 麻省理工学院的化学家们首次详细描绘了这些质子耦合电子转移是如何在电极表面发生的。他们的研究成果可以帮助研究人员设计出更高效的燃料电池、电池或其他能源技术。麻省理工学院化学和化学工程教授、该研究的资深作者 Yogesh Surendranath 说："我们在这篇论文中取得的进展是研究和理解了这些电子和质子如何在表面部位耦合的性质，这与催化反应有关，而催化反应在能量转换装置或催化反应中非常重要。"在他们的研究成果中，研究人员能够准确追踪电极周围电解质溶液 pH 值的变化如何影响电极内质子运动和电子流动的速度。麻省理工学院研究生诺亚-刘易斯（Noah Lewis）是这篇论文的第一作者，论文最近发表在《自然-化学》上。麻省理工学院前博士后 Ryan Bisbey、麻省理工学院研究生 Karl Westendorff 和耶鲁大学研究科学家 Alexander Soudackov 也是这篇论文的作者。质子传递质子耦合电子转移是指一种分子（通常是水或酸）将质子转移到另一种分子或电极表面，从而刺激质子接受者也接受一个电子。这种反应已被广泛应用于能源领域。"这些质子耦合电子转移反应无处不在。它们通常是催化机制中的关键步骤，对于制氢或燃料电池催化等能量转换过程尤为重要，"Surendranath 说。在制氢电解槽中，这种方法用于从水中去除质子，并在质子上添加电子以形成氢气。在燃料电池中，当质子和电子从氢气中移出并加入氧气形成水时，就会产生电能。施加电势会导致质子从氢离子（右图）转移到电极表面。利用具有分子定义质子结合位点的电极，麻省理工学院的研究人员为这些界面质子耦合电子转移反应建立了一个通用模型。图片来源：研究人员提供质子耦合电子转移在许多其他类型的化学反应中都很常见，例如二氧化碳还原（通过添加电子和质子将二氧化碳转化为化学燃料）。当质子接受体是分子时，科学家们可以精确控制每个分子的结构，并观察电子和质子如何在分子间传递，因此他们已经对这些反应的发生过程有了很多了解。然而，当质子耦合电子转移发生在电极表面时，这一过程就更难研究了，因为电极表面通常非常异质，质子有可能与许多不同的位点结合。为了克服这一障碍，麻省理工学院的研究小组开发出一种设计电极表面的方法，使他们能够更精确地控制电极表面的组成。他们的电极由石墨烯薄片组成，表面附着有机含环化合物。每个有机分子的末端都有一个带负电荷的氧离子，它可以接受周围溶液中的质子，从而使电子从电路流入石墨表面。Surendranath 说："我们可以创造出一种电极，它不是由各种各样的位点组成，而是由单一类型的非常明确的位点组成的统一阵列，每个位点都能以相同的亲和力结合质子。由于我们拥有这些非常明确的位点，这让我们能够真正揭示这些过程的动力学"。利用这个系统，研究人员能够测量流向电极的电流，从而计算出平衡状态下质子向表面氧离子转移的速率质子向表面捐赠的速率和质子从表面转移回溶液的速率相等的状态。他们发现，周围溶液的 pH 值对这一速率有显著影响： 最高速率出现在 pH 值的两端酸性最强的 pH 值为 0，碱性最强的 pH 值为 14。为了解释这些结果，研究人员根据电极可能发生的两种反应建立了一个模型。在第一种反应中，强酸性溶液中高浓度的氢离子（H3O+）将质子传递给表面的氧离子，生成水。在第二种情况下，水将质子传递给表面氧离子，生成氢氧根离子（OH-），氢氧根离子在强碱性溶液中浓度较高。不过，pH 值为 0 时的速度比 pH 值为 14 时的速度快四倍，部分原因是氢离子释放质子的速度比水快。需要重新考虑的反应研究人员还惊奇地发现，这两个反应的速率并不是在中性 pH 值为 7（氢铵和氢氧根的浓度相等）时相等，而是在 pH 值为 10（氢氧根离子的浓度是氢铵的 100 万倍）时相等。该模型表明，这是因为涉及氢𬭩或水提供质子的前向反应比涉及水或氢氧化物去除质子的后向反应对总速率的贡献更大。研究人员说，关于这些反应如何在电极表面发生的现有模型假定，前向反应和后向反应对总速率的贡献相同，因此新发现表明，可能需要重新考虑这些模型。Surendranath说："这是默认的假设，即正向和逆向反应对反应速率的贡献相同。我们的发现确实令人大开眼界，因为这意味着人们用来分析从燃料电池催化到氢进化等一切问题的假设可能是我们需要重新审视的。"研究人员目前正在利用他们的实验装置研究向电极周围的电解质溶液中添加不同类型的离子会如何加快或减慢质子耦合电子流的速度。刘易斯说："通过我们的系统，我们知道我们的位点是恒定的，不会相互影响，因此我们可以读出溶液的变化对表面反应的影响。"编译自//scitechdaily ... PC版： 手机版：

俄罗斯方块启发麻省理工学院在核安全技术方面取得突破

俄罗斯方块启发麻省理工学院在核安全技术方面取得突破 基于"俄罗斯方块"游戏的新型探测器系统可以为监测核基地提供廉价、精确的辐射探测器。图片来源：Ella Maru Studio受"俄罗斯方块"启发的创新传感器设计现在，麻省理工学院和劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）的研究人员已经找到了一种计算方法，可以设计出非常简单、精简的传感器装置，从而精确定位分布式辐射源的方向。该装置以简单的四面体为基础，可以确定辐射源的方向和距离，但探测器像素较少。他们还证明，通过移动传感器获得多个读数，就能精确定位辐射源的物理位置。他们巧妙创新的灵感来自一个令人惊讶的来源：流行的电脑游戏"俄罗斯方块"。麻省理工学院教授李明达、Benoit Forget、高级研究科学家胡令文、首席研究科学家 Gordon Kohse、研究生 Ryotaro Okabe 和 Shangjie Xue、LBNL 的研究科学家 Jayson Vavrek SM '16、PhD '19，以及麻省理工学院和劳伦斯伯克利大学的其他一些人在《自然-通讯》上发表的一篇论文中描述了该团队的研究成果，这些研究成果很可能被推广到其他类型辐射的探测器中。辐射传感的技术进步检测辐射通常使用半导体材料，如碲化镉锌，这种材料在受到伽马射线等高能辐射照射时会产生电反应。但由于辐射很容易穿透物质，因此很难通过简单的计数来确定信号的来源。例如，盖革计数器在接收到辐射时只会发出"咔嗒"声，而无法确定辐射的能量或类型，因此要找到辐射源就需要四处走动，试图找到最大的声音，这与手持式金属探测器的工作原理类似。这个过程需要用户靠近辐射源，这可能会增加风险。为了在不太靠近的情况下提供来自静止设备的方向信息，研究人员使用了一个探测器网格阵列和另一个称为掩膜的网格，掩膜会在阵列上印上根据信号源方向不同而不同的图案。每一个单独的探测器或像素接收到的信号的时间和强度不同，需要通过算法来解释。这通常会导致探测器的复杂设计。用"俄罗斯方块"形状简化检测程序用于感应辐射源方向的典型探测器阵列既庞大又昂贵，在一个 10×10 的阵列中至少包括 100 个像素。然而，该研究小组发现，只要使用四个像素，按照"俄罗斯方块"游戏中的四叶草形状排列，就能接近大型昂贵系统的精确度。关键在于根据每个传感器检测到信号的时间以及每个传感器检测到信号的相对强度，对射线的到达角度进行适当的计算机重建。研究人员尝试了四种不同的像素配置（正方形、S 形、J 形或 T 形），通过反复实验，他们发现 S 形阵列的结果最为精确。这种阵列提供的方向读数精确度在 1 度以内，但所有三种不规则形状的阵列都比正方形阵列表现更好。李说，"这种方法的灵感来自于'俄罗斯方块'"。使系统正常工作的关键是在像素之间放置一种绝缘材料，如铅板，以增加从不同方向进入探测器的辐射读数之间的对比度。这些简化阵列中像素之间的铅片与大型阵列系统中使用的更复杂的阴影遮罩具有相同的功能。研究小组发现，不那么对称的排列能从小型阵列中提供更有用的信息，该研究的主要作者 Okabe 解释说。简化辐射探测器的优势"使用小型探测器的优点在于工程成本方面。不仅单个检测器元件（通常由碲锌镉或 CZT 制成）价格昂贵，而且从这些像素获取信息的所有互连也变得复杂得多。"李补充说："就应用而言，探测器越小越简单越好。"虽然也有其他版本的简化阵列用于辐射探测，但许多阵列只有在辐射来自单一局部来源时才有效。这项工作的共同第一作者Xue补充说，它们可能会被多个辐射源或分散在空间的辐射源所混淆，而基于"俄罗斯方块"的版本则能很好地处理这些情况。实地测试和实际意义麻省理工学院的研究人员在不知道地面真实辐射源位置的情况下，在伯克利实验室用一个真实的铯辐射源进行了单盲现场测试，测试装置在找到辐射源的方向和距离方面具有很高的准确性。合著者、麻省理工学院核工程教授兼核科学与工程系主任 Forget 说："辐射绘图对核工业至关重要，因为它有助于快速定位辐射源，保证每个人的安全。"另一位共同第一作者瓦夫雷克说，虽然他们的研究重点是伽马射线源，但他认为他们开发的从有限像素中提取方向信息的计算工具"要通用得多"。它并不局限于某些波长，还可以用于中子，甚至其他形式的光，如紫外线。麻省理工学院核反应堆实验室的资深科学家胡补充说，使用这种基于机器学习的算法和空中辐射探测，"可以对辐射事故进行实时监测和综合应急规划"。爱达荷国家实验室防御系统分部的科学家尼克-曼恩说："这项工作对美国应对界和日益严重的放射性事件或事故威胁至关重要。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院的新型无钴有机电池材料将为电动汽车带来革命性变革

麻省理工学院的新型无钴有机电池材料将为电动汽车带来革命性变革 在一项新的研究中，研究人员表明，这种材料的生产成本远远低于含钴电池，其导电率与钴电池相似。研究人员报告说，这种新型电池的储电量也与钴电池相当，而且充电速度也比钴电池快。麻省理工学院 W.M. Keck 能源学教授 Mircea Dincă 说："我认为这种材料可以产生很大的影响，因为它的效果非常好。它与现有技术相比已经很有竞争力，而且它可以节省大量成本，并避免目前用于电池的金属开采所带来的痛苦和环境问题。"Dincă是这项研究的资深作者，研究报告最近发表在《ACS Central Science》杂志上。23 岁的陈天阳博士和麻省理工学院前博士后哈里什-班达（Harish Banda）是论文的主要作者。其他作者包括麻省理工学院博士后王建德、麻省理工学院研究生朱利叶斯-奥本海姆（Julius Oppenheim）和博洛尼亚大学研究员亚历山德罗-弗朗切斯基（Alessandro Franceschi）。大多数电动汽车都由锂离子电池驱动，这种电池的充电原理是锂离子从一个正电极（称为阴极）流向一个负电极（称为阳极）。在大多数锂离子电池中，阴极都含有钴，这是一种具有高稳定性和高能量密度的金属。然而，钴也有很大的缺点。钴是一种稀缺金属，其价格会大幅波动，而且世界上大部分钴矿床都位于政局不稳的国家。钴的开采会造成危险的工作环境，并产生有毒废物，污染矿区周围的土地、空气和水源。"钴电池可以储存大量的能量，在性能方面也具备人们所关心的所有特性，但它们存在供应不广的问题，而且成本会随着商品价格而大幅波动。"Dincă说："随着消费市场中电气化汽车的比例越来越高，成本肯定会越来越高。"由于钴有这样那样的缺点，因此人们进行了大量研究，试图开发替代电池材料。其中一种材料是磷酸铁锂（LFP），一些汽车制造商已开始在电动汽车中使用这种材料。尽管锂-铁-磷酸酯电池仍有实际用途，但其能量密度只有钴和镍电池的一半左右。另一种有吸引力的选择是有机材料，但迄今为止，大多数此类材料在导电性、存储容量和使用寿命方面都无法与含钴电池相媲美。由于导电率低，这类材料通常需要与聚合物等粘合剂混合，以帮助它们维持导电网络。这些粘合剂至少占整个材料的 50%，会降低电池的存储容量。大约六年前，在兰博基尼的资助下，Dincă的实验室开始进行一个项目，开发一种可为电动汽车提供动力的有机电池。在研究部分有机、部分无机的多孔材料时，Dincă和他的学生意识到，他们制造的一种完全有机的材料似乎是一种强导体。这种材料由多层 TAQ（双四氨基苯醌）组成，TAQ 是一种有机小分子，含有三个融合的六角环。这些层可以向各个方向延伸，形成类似石墨的结构。分子中含有称为醌和胺的化学基团，前者是电子库，后者有助于材料形成牢固的氢键。这些氢键使材料高度稳定，同时也非常不溶解。这种不溶性非常重要，因为它可以防止材料像某些有机电池材料那样溶解到电池电解液中，从而延长其使用寿命。Dincă 说："有机材料降解的主要方法之一是溶解到电池电解液中，并进入电池的另一端，从而形成短路。如果使材料完全不溶解，这个过程就不会发生，因此我们可以在最少降解的情况下进行 2000 多个充电循环。Dincă对这种材料的测试表明，其导电性和存储容量与传统的含钴电池相当。此外，与现有电池相比，使用 TAQ 阴极的电池充放电速度更快，可加快电动汽车的充电速度。为了稳定有机材料并提高其附着在铜或铝制成的电池集流器上的能力，研究人员添加了纤维素和橡胶等填充材料。这些填料占整个阴极复合材料的比例不到十分之一，因此不会显著降低电池的存储容量。这些填料还能在电池充电时防止锂离子流入阴极，从而延长电池阴极的使用寿命。制造这种阴极所需的主要材料是一种醌前体和一种胺前体，它们作为商品化学品已经在市场上大量供应和生产。研究人员估计，组装这些有机电池的材料成本大约是钴电池成本的三分之一到二分之一。兰博基尼已经获得了这项技术的专利许可。Dincă 的实验室计划继续开发替代电池材料，并正在探索用钠或镁替代锂的可能性，因为钠或镁比锂更便宜、更丰富。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为

麻省理工学院科学家发现极端条件下金属的“反直觉”行为 麻省理工学院的科学家们发现，铜等金属在加热和高速撞击时会变得更坚固，这对传统观点提出了挑战，并有可能增强用于太空和高速制造等极端环境的材料。金属受热后会变得更软，这就是铁匠如何通过将铁加热至滚烫将其塑造成复杂形状的原因。任何人将铜线与钢衣架进行比较，都会很快发现铜比钢柔韧得多。但麻省理工学院的科学家们发现，当金属被超高速运动的物体撞击时，情况恰恰相反：金属温度越高，强度越大。在这些对金属造成极大压力的条件下，铜实际上和钢一样坚固。这一新发现可能为极端环境下的材料设计带来新的方法，例如保护宇宙飞船或高超音速飞机的防护罩，或高速制造工艺的设备。麻省理工学院研究生伊恩-道丁和麻省理工学院材料科学与工程系前系主任、现任西北大学工程学院院长兼麻省理工学院客座教授克里斯托弗-舒赫最近在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了这一发现。反直觉的结果和潜在应用作者写道，这一新发现"违背直觉，与几十年来在不太极端条件下进行的研究相悖"。这些意想不到的结果可能会影响各种应用，因为这些撞击所涉及的极端速度经常发生在陨石撞击轨道上的航天器，以及用于制造、喷砂和某些增材制造（3D 打印）工艺的高速加工操作中。研究人员用来发现这种效应的实验是将直径仅为百万分之一米的蓝宝石微粒射向平整的金属板。在激光束的推动下，这些微粒达到了每秒几百米的高速度。虽然其他研究人员偶尔也做过类似的高速实验，但他们往往使用更大的冲击器，即厘米或更大的冲击器。由于这些较大的撞击主要受到撞击冲击的影响，因此无法将机械效应和热效应区分开来。说明：麻省理工学院的科学家发现，当金属被高速运动的物体以极快的速度变形时，较高的温度会使金属变得更坚固，而不是更脆弱。图中，3 个粒子以大致相同的速度撞击金属表面。随着金属初始温度的升高，反弹速度更快，颗粒弹得更高，因为金属也变得更硬而不是更软。图片来源：研究人员提供研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院新研究中的微小粒子在撞击目标时不会产生明显的压力波。但麻省理工学院经过十年的研究，才开发出以如此高的速度推动这种微小粒子的方法。"我们利用了这一点，"舒赫说，同时还利用了其他新技术来观测高速撞击本身。观察和调查结果他说："研究小组使用了超高速摄像机来观察粒子的来去。当粒子从表面反弹时，进入和飞出速度之间的差异"告诉你有多少能量沉积"到目标中，这是表面强度的指标。"研究人员使用的微粒由氧化铝或蓝宝石制成，"非常坚硬"。这些微粒直径为 10 到 20 微米（百万分之一米），厚度为头发丝的十分之一到五分之一。当这些微粒背后的发射台被激光束击中时，部分材料会汽化，产生一股蒸汽，将微粒推向相反的方向。研究小组使用超高速摄像机跟踪粒子。研究数据中的这个序列显示了一个粒子飞入并从表面反弹的过程。资料来源：麻省理工学院研究人员将微粒射向铜、钛和金的样品，他们希望他们的结果也适用于其他金属。他们说，他们的数据首次为这种热量越大强度越高的反常热效应提供了直接的实验证据，尽管以前也有报道暗示过这种效应。根据研究人员的分析，这种令人惊讶的效应似乎是构成金属结晶结构的有序原子阵列在不同条件下移动的方式造成的。他们的研究表明，金属在应力作用下的变形受三种不同效应的支配，其中两种效应遵循预测的轨迹，即在温度越高时变形越大，而当变形率超过一定临界值时，第三种效应（即阻力强化）的作用会发生逆转。阻力增强效果超过这个交叉点后，较高的温度会增加材料内部声子（声波或热波）的活动，这些声子与晶格中的位错相互作用，限制了它们滑动和变形的能力。道丁说，这种效应随着撞击速度和温度的增加而增强，因此"速度越快，位错的反应能力就越弱"。当然，在某些时候，升高的温度会使金属开始熔化，这时，效果又会发生逆转，导致软化。道丁说，这种强化效应"会有一个极限"，"但我们不知道它是什么"。舒赫说，这些发现可能会促使人们在设计可能会遇到这种极端应力的设备时选择不同的材料。例如，在通常情况下可能弱得多，但成本较低或更容易加工的金属，可能会在以前没有人想到要使用它们的情况下派上用场。研究人员所研究的极端条件并不局限于航天器或极端制造方法。道丁说："如果你在沙尘暴中驾驶直升机，很多沙粒在撞击叶片时会达到很高的速度。"研究人员用来揭示这一现象的技术可以应用于其他各种材料和情况，包括其他金属和合金。他们说，简单地根据已知材料在不太极端条件下的特性来设计在极端条件下使用的材料，可能会导致人们对材料在极端应力下的行为产生严重的错误预期。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：