有史以来最坚硬的多孔轻质材料诞生！

TH的研究人员开发并制造了一系列能最大限度提高多孔轻质材料刚度的结构，开发更硬的设计实际上是不可能的。

3d打印和其他添加剂生产技术使得制造内部结构具有以前无法想象的复杂性材料成为可能。这对于轻质建筑也很有趣，因为它可以开发出内部空隙尽可能多的材料(使材料尽可能轻)，同时又尽可能坚固。要实现这一点，需要智能地组织内部结构，以获得最大的效率。

博科园-科学科普：德克•莫尔(Dirk Mohr)是制造材料计算建模教授，他领导的一个来自苏黎世联邦理工学院(ETH Zurich)和麻省理工学院(MIT)的研究团队，开发和制造了在所有三个维度上都同样坚固、同时又极其坚硬的材料结构。从数学上确定具有内部空洞的材料在理论上能有多硬是可能，莫尔的结构已经被证明非常接近这个理论的最大刚度。换句话说，在给定的重量下，几乎不可能开发出更坚固的其他材料结构。

板取代桁架

该设计的一个特点是，材料内部的刚度是通过板格而不是桁架实现。桁架原理非常古老，长期以来，它被用于半木结构房屋、钢桥和铁塔，如埃菲尔铁塔。我们可以看穿桁架格，所以它们通常被认为是理想的轻量结构，然而利用计算机计算、理论和实验测量，现在已经建立了一个新的板格结构家族，其强度是相同重量和体积的桁架的三倍”(见框)。不仅这些结构的刚度(抗弹性变形)接近理论最大值，它们的强度(抗不可逆变形)也接近理论最大值。

ETH的研究人员最初在计算机上开发了这些晶格，并计算了它们在这一过程中的性质。然后他们从塑料到3d打印，以微米级的尺寸生产。然而莫尔强调，这种设计的优点是普遍适用的——适用于所有组成材料，也适用于所有长度尺度，从非常小(纳米大小)到非常大。

莫尔和他的研究团队在这些新格子上走在了时代的前列：目前3d打印的制造成本仍然相对较高。如果这些格子是由不锈钢制成，每克的成本将和银一样高。但是当加法制造技术为大规模生产做好准备时，突破就会出现。轻质结构目前的成本限制了其在飞机制造和空间应用方面的实际用途，因此也可用于重量起作用的广泛应用领域。

除了使结构更轻，大量的空隙也减少了所需的原材料数量，从而也降低了材料成本。潜在的应用没有限制，医用植入物、笔记本电脑外壳和超轻型汽车结构只是众多可能例子中的三个。当时机成熟时，只要轻质材料大规模生产出来，这些周期性的板格就会成为设计的首选。

在所有三个维度(从上到下，从左到右，从后到前)承受荷载时，板格都比桁架格具有明显的优势。下面的思维实验有助于理解这一点：想象两个外墙很薄的立方体。在它们内部有支柱，以防止立方体在施加外部压力时被压缩。一个立方体使用桁架，另一个使用板(见图)。在这两种情况下，材料的体积，因此内部结构的重量是相同的。

如果从上面向桁架结构(中心)施加一个力，三个柱(黄色)中的一个柱(黄色)会承受这个力。另外两个支板(蓝色)对稳定性没有贡献，但如果力来自另一个方向，则需要它们。相反如果力从上面作用到板格(右)，三个板中的两个有助于它的稳定性(黄色的)，这种形式更好地利用了内部struts，因此效率更高。图片：ETH Zurich

博科园-科学科普｜研究/来自：苏黎世联邦理工学院

参考期刊文献:《Advanced Materials》

DOI: 10.1002/adma.201803334

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