復(fù)合材料是兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料。雖然復(fù)合材料從問世至今只有短短數(shù)10年的歷史，但由于它可以發(fā)揮各種組成物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，克服了單一材料的缺陷，因此得到了廣泛應(yīng)用。最近，美國麻省理工學(xué)院的研究人員錦上添花，成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計(jì)模型。通過該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的、全新的材料特性。
按性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料
納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型的發(fā)明人為麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程系助理教授邁克爾·德姆庫維茨，他期望用自己的模型研制出的納米復(fù)合材料能夠耐高溫、抗輻射，并承受超強(qiáng)的機(jī)械負(fù)載，最終目標(biāo)是將這些納米復(fù)合材料用于包括核電站、燃料電池、太陽能和碳存儲(chǔ)等能源應(yīng)用領(lǐng)域。
德姆庫維茨表示，能源生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均需要能夠承受極端條件的材料。他研發(fā)的設(shè)計(jì)模型提供了根據(jù)所需的材料性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料的新方法。他認(rèn)為，雖然目前社會(huì)上有不少設(shè)計(jì)模型能夠構(gòu)建材料的結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)材料的特性，但是這類仍需要經(jīng)過反復(fù)制造和測(cè)試循環(huán)的新材料開發(fā)方法存在著耗資龐大且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
在材料學(xué)領(lǐng)域，詳細(xì)設(shè)定所需的材料特性，然后預(yù)測(cè)何種結(jié)構(gòu)能夠具有這些特性被科學(xué)家稱為“逆問題”。德姆庫維茨開發(fā)的納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型解決了材料科學(xué)家面對(duì)的“逆問題”，有望極大地加快材料設(shè)計(jì)過程。
納米復(fù)合材料具有很強(qiáng)的抗輻射能力
德姆庫維茨利用自己的模型進(jìn)行納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)的首選目標(biāo)是抗輻射材料，讓它幫助核電廠提高效率和安全。
通常，當(dāng)金屬材料暴露在輻射環(huán)境中時(shí)，中子等高能粒子與金屬中獨(dú)立的原子會(huì)發(fā)生碰撞，結(jié)果是將原子從晶格中擊出，被擊出的原子又會(huì)與其他的原子相撞，導(dǎo)致后者失去自己的原位……如此這般的結(jié)果是金屬中有的區(qū)域出現(xiàn)大量失去原子的“空穴”，有的區(qū)域出現(xiàn)多出原子的“缺陷”，這種缺少和多出原子的缺陷群致使金屬材料易碎和弱化。
據(jù)德姆庫維茨介紹，確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時(shí)，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性，也就是說，不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。
德姆庫維茨表示，在某些納米復(fù)合材料中，“空穴”和“缺陷”受到了界面的限制，它們緊緊相貼，因此被高能粒子擊出的原子最終又填充到“空穴”中，金屬的晶體結(jié)構(gòu)恢復(fù)至常態(tài)。在某些條件下，復(fù)合材料表現(xiàn)得如同沒有受過輻射影響一般。
抗輻射復(fù)合材料最終可能用來取代不銹鋼用于核反應(yīng)堆內(nèi)，有望延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的壽命，同時(shí)允許核反應(yīng)堆在更強(qiáng)的輻射劑量下工作。目前反應(yīng)堆僅僅使用了1%的核燃料，抗輻射復(fù)合材料的利用有望讓反應(yīng)堆使用更高比例的核燃料，減少核廢料量。
德姆庫維茨在利用模型設(shè)計(jì)的具有多層界面的抗輻射納米復(fù)合材料過程中，發(fā)現(xiàn)銅和鈮組成的復(fù)合材料具有抗輻射的能力。2008年，他曾在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表文章，認(rèn)為該納米復(fù)合材料能吸收中子并轉(zhuǎn)為輻射性材料，因而不能用于核反應(yīng)堆。此外，德姆庫維茨的設(shè)計(jì)模型還可以用于了解其他復(fù)合材料是否也擁有這樣的性能。
盡管擁有了納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型，但德姆庫維茨表示，在未來確定具有抗輻射的候選納米復(fù)合材料后，在新材料被批準(zhǔn)用于核反應(yīng)堆之前，研究人員仍需要數(shù)年的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。因此，任何具有潛力的新材料大約還需要至少10年的時(shí)間才能被啟用。（科技日?qǐng)?bào) 作者：毛黎）
按性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料
納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型的發(fā)明人為麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程系助理教授邁克爾·德姆庫維茨，他期望用自己的模型研制出的納米復(fù)合材料能夠耐高溫、抗輻射，并承受超強(qiáng)的機(jī)械負(fù)載，最終目標(biāo)是將這些納米復(fù)合材料用于包括核電站、燃料電池、太陽能和碳存儲(chǔ)等能源應(yīng)用領(lǐng)域。
德姆庫維茨表示，能源生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)均需要能夠承受極端條件的材料。他研發(fā)的設(shè)計(jì)模型提供了根據(jù)所需的材料性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料的新方法。他認(rèn)為，雖然目前社會(huì)上有不少設(shè)計(jì)模型能夠構(gòu)建材料的結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)材料的特性，但是這類仍需要經(jīng)過反復(fù)制造和測(cè)試循環(huán)的新材料開發(fā)方法存在著耗資龐大且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
在材料學(xué)領(lǐng)域，詳細(xì)設(shè)定所需的材料特性，然后預(yù)測(cè)何種結(jié)構(gòu)能夠具有這些特性被科學(xué)家稱為“逆問題”。德姆庫維茨開發(fā)的納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型解決了材料科學(xué)家面對(duì)的“逆問題”，有望極大地加快材料設(shè)計(jì)過程。
納米復(fù)合材料具有很強(qiáng)的抗輻射能力
德姆庫維茨利用自己的模型進(jìn)行納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)的首選目標(biāo)是抗輻射材料，讓它幫助核電廠提高效率和安全。
通常，當(dāng)金屬材料暴露在輻射環(huán)境中時(shí)，中子等高能粒子與金屬中獨(dú)立的原子會(huì)發(fā)生碰撞，結(jié)果是將原子從晶格中擊出，被擊出的原子又會(huì)與其他的原子相撞，導(dǎo)致后者失去自己的原位……如此這般的結(jié)果是金屬中有的區(qū)域出現(xiàn)大量失去原子的“空穴”，有的區(qū)域出現(xiàn)多出原子的“缺陷”，這種缺少和多出原子的缺陷群致使金屬材料易碎和弱化。
據(jù)德姆庫維茨介紹，確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來越薄時(shí)，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性，也就是說，不同物質(zhì)的界面使得復(fù)合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。
德姆庫維茨表示，在某些納米復(fù)合材料中，“空穴”和“缺陷”受到了界面的限制，它們緊緊相貼，因此被高能粒子擊出的原子最終又填充到“空穴”中，金屬的晶體結(jié)構(gòu)恢復(fù)至常態(tài)。在某些條件下，復(fù)合材料表現(xiàn)得如同沒有受過輻射影響一般。
抗輻射復(fù)合材料最終可能用來取代不銹鋼用于核反應(yīng)堆內(nèi)，有望延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的壽命，同時(shí)允許核反應(yīng)堆在更強(qiáng)的輻射劑量下工作。目前反應(yīng)堆僅僅使用了1%的核燃料，抗輻射復(fù)合材料的利用有望讓反應(yīng)堆使用更高比例的核燃料，減少核廢料量。
德姆庫維茨在利用模型設(shè)計(jì)的具有多層界面的抗輻射納米復(fù)合材料過程中，發(fā)現(xiàn)銅和鈮組成的復(fù)合材料具有抗輻射的能力。2008年，他曾在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表文章，認(rèn)為該納米復(fù)合材料能吸收中子并轉(zhuǎn)為輻射性材料，因而不能用于核反應(yīng)堆。此外，德姆庫維茨的設(shè)計(jì)模型還可以用于了解其他復(fù)合材料是否也擁有這樣的性能。
盡管擁有了納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型，但德姆庫維茨表示，在未來確定具有抗輻射的候選納米復(fù)合材料后，在新材料被批準(zhǔn)用于核反應(yīng)堆之前，研究人員仍需要數(shù)年的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。因此，任何具有潛力的新材料大約還需要至少10年的時(shí)間才能被啟用。（科技日?qǐng)?bào) 作者：毛黎）
