超强新型材料问世 可大幅提升防弹性能
美国一所大学开发出一种特殊超强新型材料。该材料宛如“锁子甲”，拥有迄今为止最高的微观机械键密度，展现出卓越的柔韧性和强度。科学家预计将其用于下一代防弹衣，或其它需要轻质、柔韧和坚韧的物体上。
多年来，研究人员一直尝试开发机械互锁的聚合物分子。已去逝的诺贝尔奖得主、时任美国西北大学教授的弗雷泽·斯托达特（Fraser Stoddart）于1980年代也曾试图让分子像欧洲古代骑士穿的锁子甲一样，以一环套一环方式增强聚合物的性能。
不过，斯托达特教授的想法并未在他生前实现，直到由美国西北大学麦迪逊·芭铎（Madison Bardot）博士研究生和威廉·迪希特尔（William Dichtel）教授带领的团队成功克服这项挑战，最终制造出一种新型、高效且可扩展的二维（2D）机械互锁材料（MIM），其微观下仿佛一件分子“锁子甲”。
该团队的突破关键源于一次意外。原本芭铎想尝试全新的晶体生长方法，却意外地发现一种外型拥有X形状的“苯酚官能基的四苯乙烯”（TPE-PhOH）单体，它会与另一个单体的末端结合，排列成特定的的层状晶体结构，且中间的空隙会有更多的单体穿过。
另外，他们发现，将聚合物溶解在溶液中会导致互锁的单体层相互剥离。
于是他们将这种晶体中注入“二烷基二氯硅烷分子”（SiMe2Cl2），形成强大的硅氧烷键，让整个晶体内的分子就像锁子甲或渔网编织一样，变成一款拥有强力机械键结构的2D MIM。
实验团队使用电子显微镜和仪器观测其微观结构。结果显示，该聚合物在一平方厘米的面积内，拥有超过100万亿个分子级的套环结构。人们对其轻轻拉动时，它会像丝绸一样柔软，而若对它进行强烈冲击时，它就会变成坚硬的物质。这些可以说是防弹衣梦寐以求的性质。
科学家发现，在聚醚酰亚胺纤维（Ultem）中，添加2.5重量百分比（wt%）的2D MIM材料，可以使Ultem拉伸时的弹性增加45%，极限应力（变形量）增加22%。他们还发现，Ultem加入超过5wt%的2D MIM材料时，就会导致整体性能下降。
这个性能提升，对于防手枪的软质防弹衣来说是一件好消息，因为只需添加少量2D MIM材料，不仅能让防弹衣的重量大幅缩减，还能增加整体的防弹性能。目前一件合格的防手枪软质防弹衣，通常需要15到30层凯夫拉纤维，其整体厚度在6毫米到8毫米，重量在2.5到4公斤之间。
图为美国的公民装甲公司采购经理手持一件专为女性制作的防弹衣。（George Frey/Getty Images via AFP）
聚醚酰亚胺纤维（Ultem）与凯夫拉纤维（Kevlar）基本都具有耐高温、耐磨、绝缘的特性，且可以承受极端温度以及酸性和腐蚀性化学物质。因此常用于高温气体和液体过滤器、消防服、飞行员服装、防弹衣、汽车零件和航太设备上。
美国西北大学研究人员发现，这种2D MIM材料可进行大量生产，这打破了过去的有机械键的聚合物难以量产的规则。目前他们已经生产出半公斤，未来会生产更多这类材料，将其用于轻型防弹衣、运动防护装备、医疗器械和建筑材料里。
该研究的通讯作者西北大学的威廉·迪希特尔（William Dichtel）教授对该校的新闻社说，“我们制造出了一种与中古世纪的锁子甲相似的全新聚合物结构。它的每个机械键都有一定的自由度，因此不容易撕裂。若你想把它撕开，就得从多个不同的地方把它弄断，因为它可以把力分散到多个方向。”
这项研究主要由美国国防高级研究计划局和西北大学的IIN（瑞安研究员计划）资助。