美發明超強新型材料 可大幅提升防彈衣性能

Daphane

來源:大紀元



美國西北大學製造出一種新型二維機械互鎖材料，有望成為新一代防彈衣材料。圖為防彈背心資料照。(Jospin Mwisha / AFP)

【大紀元2025年02月16日訊】（大紀元專題部記者吳瑞昌編譯報導）美國一所大學開發出一種特殊超強新型材料。該材料宛如「鎖子甲」，擁有迄今為止最高的微觀機械鍵密度，展現出卓越的柔韌性和強度。科學家預計將其用於下一代防彈衣，或其它需要輕質、柔韌和堅韌的物體上。

多年來，研究人員一直嘗試開發機械互鎖的聚合物分子。已去逝的諾貝爾獎得主、時任美國西北大學教授的弗雷澤·斯托達特（Fraser Stoddart）於1980年代也曾試圖讓分子像歐洲古代騎士穿的鎖子甲一樣，以一環套一環方式增強聚合物的性能。

不過，斯托達特教授的想法並未在他生前實現，直到由美國西北大學麥迪遜·芭鐸（Madison Bardot）博士研究生和威廉·迪希特爾（William Dichtel）教授帶領的團隊成功克服這項挑戰，最終製造出一種新型、高效且可擴展的二維（2D）機械互鎖材料（MIM），其微觀下彷彿一件分子「鎖子甲」。

該項研究成果於1月17日發表到《科學》雜誌上，已擁有8500次下載量，三十多家新聞媒體報導，在Altmetric評分的所有研究成果中排名前5%。

該團隊的突破關鍵源於一次意外。原本芭鐸想嘗試全新的晶體生長方法，卻意外地發現一種外型擁有X形狀的「苯酚官能基的四苯乙烯」（TPE-PhOH）單體，它會與另一個單體的末端結合，排列成特定的的層狀晶體結構，且中間的空隙會有更多的單體穿過。

另外，他們發現，將聚合物溶解在溶液中會導致互鎖的單體層相互剝離。

於是他們將這種晶體中注入「二烷基二氯矽烷分子」（SiMe2Cl2），形成強大的矽氧烷鍵，讓整個晶體內的分子就像鎖子甲或漁網編織一樣，變成一款擁有強力機械鍵結構的2D MIM。

實驗團隊使用電子顯微鏡和儀器觀測其微觀結構。結果顯示，該聚合物在一平方厘米的面積內，擁有超過100萬億個分子級的套環結構。人們對其輕輕拉動時，它會像絲綢一樣柔軟，而若對它進行強烈衝擊時，它就會變成堅硬的物質。這些可以說是防彈衣夢寐以求的性質。

科學家發現，在聚醚醯亞胺纖維（Ultem）中，添加2.5重量百分比（wt%）的2D MIM材料，可以使Ultem拉伸時的彈性增加45%，極限應力（變形量）增加22%。他們還發現，Ultem加入超過5wt%的2D MIM材料時，就會導致整體性能下降。

這個性能提升，對於防手槍的軟質防彈衣來說是一件好消息，因為只需添加少量2D MIM材料，不僅能讓防彈衣的重量大幅縮減，還能增加整體的防彈性能。目前一件合格的防手槍軟質防彈衣，通常需要15到30層凱夫拉纖維，其整體厚度在6毫米到8毫米，重量在2.5到4公斤之間。

聚醚醯亞胺纖維（Ultem）與凱夫拉纖維（Kevlar）基本都具有耐高溫、耐磨、絕緣的特性，且可以承受極端溫度以及酸性和腐蝕性化學物質。因此常用於高溫氣體和液體過濾器、消防服、飛行員服裝、防彈衣、汽車零件和航太設備上。

美國西北大學研究人員發現，這種2D MIM材料可進行大量生產，這打破了過去的有機械鍵的聚合物難以量產的規則。目前他們已經生產出半公斤，未來會生產更多這類材料，將其用於輕型防彈衣、運動防護裝備、醫療器械和建築材料裡。

該研究的通訊作者西北大學的威廉·迪希特爾（William Dichtel）教授對該校的新聞社說，「我們製造出了一種與中古世紀的鎖子甲相似的全新聚合物結構。它的每個機械鍵都有一定的自由度，因此不容易撕裂。若你想把它撕開，就得從多個不同的地方把它弄斷，因為它可以把力分散到多個方向。」

這項研究主要由美國國防高級研究計劃局和西北大學的IIN（瑞安研究員計劃）資助。