我们知道，鸟类的骨骼和树木的树干结构都经过了长期的自然进化，才达到强度和密度的完美平衡。美国科学家最近发现，自组装纳米结构能够超越这些自然界的“鬼斧神工”，在更加多孔的同时，又不会过于降低强度。相关
论文发表在6月的《自然—材料学》上。
进项该项研究的是美国Sandia国家实验室、新墨西哥大学、凯斯西储大学以及普林斯顿大学的科学家。项目负责人Jeff Brinker表示，“微电子学和膜技术领域往往需要既多孔又坚固的材料，而新的研究成果使这一切成为可能。”
所谓自组装，一般是指原子、分子或纳米材料通过非共价键作用，在衬底上自发地排列成一维、二维甚至三维的稳定有序的空间结构。研究人员通过核磁共振、拉曼分光研究发现，人工方法使硅薄膜结构更加多孔的同时也会使孔壁厚度变得更薄（不到2纳米），重新排列后的硅结构也会变得更加紧密和坚固。
此前有研究证实，自然界最优化的骨骼的强度会按照密度平方的比例发生变化，而最新的研究表明，自组装纳米材料孔性的增加对劲度模量（stiffness modulus）的影响更小。尤其当纳米材料的孔是立方体结构时，劲度模量会随着自身密度的平方根变化。
Brinker表示，“我们的研究证实，纳米材料孔的结构和大小都会对它的劲度模量产生影响。其中，立方体结构比六边形结构坚固，而六边形结构又比圆柱状结构坚固。对同一种结构而言，孔性增加会导致劲度模量减小，但是减小程度要优于自然进化材料。”
新的发现有望改善硅材料在膜技术、分子传感器、微电子学器件等方面的表现。（科学网 任霄鹏/编译）
鸟类骨头和树干等自然界中存在的结构移植被认为经过漫长的演化已经达到了硬度和密度的最佳平衡。但是在最新一期《Nature Materials》上，美国Sandia国家实验室、新墨西哥大学（UNM）和华盛顿天主教大学与普林斯顿大学的科学家们发表文章，声称按人为控制的模式自组装的纳米材料能够超过大自然的杰作。
研究小组的负责人Jeff Brinker说：“通过自组装我们能够在比自然界中更精细的尺度构建硅土材料。在非常小的尺度改变材料的结构和机械性能，才有可能制作出微电子学和膜技术所需要的高硬度、多孔的材料。”
通过Sandia实验室的Roger Assink和Dave Tallant使用核磁共振与华盛顿天主教大学的Dan Lacks进行的分子建模研究，科学家们发现当有序的多孔薄膜中气孔变得越来越多时，硅土材料的孔壁会变得薄于2纳米，整个材料的框架会重新排列，变得更密更硬。
自然中已经最优化的骨头，其硬度与其密度的平方成正比。而机械性能研究表明，自组装材料的硬度对密度的要不敏感得多:一块合成的小孔立方排布的材料的硬度与密度的平方跟成正比。
这项研究表明模仿骨头气泡结构的硅土材料纳米结构在气泡体积增加时可能会带来更佳的性能。这将导致许多应用，比如膜栅栏、分子识别传感器、低介电常数绝缘体等下一代微电子设备需要的技术。
原文链接：
http://www.physorg.com/news103297694.html
刘乐译自：physorg.com
作者：
2007-7-13