全新組合材料更輕、更堅固可望用在機械工程 DNA玻璃比鋼鐵硬4倍

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編譯／韋士塔 2023-09-09 10:00

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編譯／韋士塔

從汽車、飛機到醫療設備，許多重要的物品若能採用更堅固、更輕巧的材料，性能及效率都可提升，但這2項特點彼此矛盾，也成為科學家持續投入研發的領域；近來，美國研究人員整合2種基礎材料，創造出密度極低但非常堅固的新材料。

康乃狄克大學的材料科學家李石宇（Seok-Woo Lee，音譯）與哥倫比亞大學、布魯克海文國家實驗室（BNL）合作，使用DNA、玻璃，創造一種新材料。李石宇表示：「以相同密度來說，我們創造的新材料強度勝過任何其他材料。」

參與研發計畫的奈米材料科學家岡格（Oleg Gang）戲稱：「我是電影《鋼鐵人》的忠實粉絲，他的盔甲非常輕，而且非常堅固，這樣他才能高速飛行，而且能夠承受敵人的攻擊。我們的新材料比鋼鐵輕5倍，但強度是鋼鐵的4倍。」

材料科學專家指出，目前確實有一些金屬比鋼鐵更輕也更堅固，例如：鈦。一些合金的性能甚至更優異，可用來製造更輕便安全的防彈衣、更優質的醫療器材，以及運行速度更快也更安全的汽車或飛機。近年來，由於冶金技術已達瓶頸，合金新材料相當有限，但奈米技術讓這個領域出現契機。

李石宇研究團隊把這項創新材料發表於《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）期刊，報告指出，研究人員使用DNA為基礎結構，接著加上玻璃塗層。

使用玻璃為材料，讓許多人感到驚訝，因為玻璃是易碎物質，一旦其結構出現缺陷，例如：裂紋、刮痕，就會碎裂。然而，在結構完好無缺的情況下，1立方公分的玻璃可承受10噸壓力。過去玻璃未能被視為堅固材料的主因，是製造毫無瑕疵、面積較大的玻璃難度過高。

拜奈米技術突破所賜，康乃狄克大學的研究團隊順利以微型但結構完美的玻璃，創造出堅固無比的材料。

研究人員表示，玻璃的厚度小於1微米（μm）時，其結構幾乎完美；由於玻璃的密度遠低於金屬及陶瓷，以奈米級玻璃製造的結構可擁有堅固與輕巧2大特點。

研究團隊設計一種自組裝（self-assembling）DNA結構，這種DNA結構有特定的長度及化學性質，能自行組合成材料的框架。若以建築物比喻，這種DNA框架就是支撐房屋的梁柱。研究團隊在這種自組裝DNA結構塗上極薄的玻璃材料，厚度僅約數百個原子。

以這項技術創造的材料，玻璃僅覆蓋在DNA框架上，材料的空間不會被填滿，類似房屋或建築物內的房間。這樣的結構，成為所未見的強度與輕盈度組合。

研究團隊正嘗試以更堅固的碳化物陶瓷，取代玻璃塗層，持續測試及開發更堅固的材料。

岡格表示：「使用DNA架構設計的3D框架奈米級材料，為機械工程及材料領域開創充滿各種機會的前景。」

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