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【导语】科技浪潮下，新型材料成为革新突破的幕后英雄。当古老锁子甲邂逅纳米科技，会擦出怎样的火花？美国西北大学研究人员将“锁子甲”理念融入纳米世界，打造出二维机械互锁聚合物“分子锁子甲”，每平方厘米含100万亿个机械互锁点，强韧无比。与工程塑料结合后，性能更是显著提升。这款21世纪的“分子链甲”，有望成为守护人类科技文明的新盔甲，开启防护材料新纪元。

编者按：在科技迅猛发展的当下，从高精尖设备的研发，到对深海、外太空等极端环境的大胆探索，每(měi)一(yī)项(xiàng)革(gé)新(xīn)与(yǔ)突(tū)破(pò)的(de)背(bèi)后(hòu)，都(dōu)离(lí)不(bù)开(kāi)新(xīn)型(xíng)先(xiān)进(jìn)材(cái)料(liào)的(de)支(zhī)撑(chēng)！“逆(nì)天(tiān)改(gǎi)命(mìng)”新(xīn)材(cái)料(liào)系(xì)列(liè)文章(zhāng)将(jiāng)聚(jù)焦(jiāo)那(nà)些(xiē)材(cái)料(liào)中(zhōng)的(de)“叛(pàn)逆(nì)者(zhě)”。它(tā)们(men)借(jiè)助(zhù)科(kē)学(xué)家(jiā)们(men)的(de)巧(qiǎo)妙(miào)设(shè)计(jì)以(yǐ)及(jí)前(qián)沿(yán)技(jì)术(shù)的加持，彻底改写了自身的一些固有特性，从而打破命运的枷锁，以全新的姿态，肩负起推动人类文明迈向未来的重任！

“二维分子锁子甲”的结构示意图（图片来源：美国西北大学(xué) Mark Seniw）

随(suí)着(zhe)人(rén)类(lèi)科(kē)技(jì)水(shuǐ)平(píng)的(de)提(tí)升(shēng)，许(xǔ)多(duō)曾(céng)在(zài)历(lì)史(shǐ)长(zhǎng)河(hé)中(zhōng)大(dà)放(fàng)异(yì)彩(cǎi)的(de)工(gōng)具(jù)或(huò)装(zhuāng)备(bèi)都逐渐淡出了人们的视野。比如能够有效抵御刀剑劈砍的中世纪锁子甲。

但你有没有想过，当古代的锁子甲遇上21世纪的纳米科技，又会碰撞出怎样的火花呢？

这项发表于《科学》（Science）期刊的研究介绍了一种新型防护材料：二维机械互锁聚合物（2D MIM）。它不走寻常路，其分子之间并非仅靠化学键连接，而是竟然像锁子甲中的金属环一样彼此嵌套，在微观层面形成了密密麻麻的“分子锁链”。

这种材料的2D 聚合物层在每平方微米拥有约100万个机械键合点（mechanical bond），换算一下，每平方厘米就可包含100万亿个机械键合点！只需将其少量添加进塑料中，就能显著提升成品的强韧度。如果相关的技术能够被投入应用，未来人们在对极端环境进行科学探索，或开展极限运动时，就会拥有更加强悍、安全的防护装备啦！

骑士的金属环锁子甲，变身成现代“分子链甲”

锁子甲是中(zhōng)世(shì)纪欧洲骑士常用的一种防护装备，在我国古代，锁子甲也被称为“环锁铠”，它虽然普及得较晚，但当人们认识到其优异的防护性能后，对其进行了丰富的“本土化”改进，衍生出性能更佳的连环甲、山文甲等。

这类锁子甲绝非展示用的“花瓶”摆设。它能够通过自身一环扣一环的结构特点，在承受冲击时，通过环与环之间的滑动自由度，将冲击力分散到周围的环上，采用一种“化整为零”的思想，缓解单个金属环所承受的冲击，从而能够有效抵御锐利冷兵器的劈砍。

锁子甲比板甲轻便，并能有效抵御锐器的劈砍（图片来源：维基媒体）

然而，当军事发展到近代，火枪等热武器的出现彻底颠覆了战场规则，面对高速、高温的子弹，锁子甲不具备有效的抵抗能力，因此逐渐失去用武之地，淡出了人们(men)的(de)视(shì)野(yě)。

直(zhí)到(dào)来(lái)自(zì)美(měi)国(guó)西(xi)北(běi)大(dà)学(xué)的(de)研(yán)究(jiū)人(rén)员(yuán)创(chuàng)新(xīn)性(xìng)地(de)将(jiāng)“锁(suǒ)子(zi)甲(jiǎ)”的(de)理(lǐ)念(niàn)搬(bān)进(jìn)了(le)纳米世界。他们合成的二维机械互锁聚合物（二维的意思是指这种材料的分子环在平面方向上延展），就相当于是一种分子级的“链甲”。

该材料中的分子在结构上就如同一个个微缩的铁环，它们互相穿插，彼此卡住，巧妙依靠“机械互锁”结构（各个单元仍通过共价键作用链接组装），使其可以保持一定的滑动自由度。最终，当这种微观层面的“铁环”被编织成一整张“分子网”，它也就拥有了无与伦比的强韧度。

中世纪的锁子甲只能挡住刀剑劈砍，而这种纳米链甲，则有潜力成为未来的最强护甲，其应用前景也将不再只限于军事领域。

100万亿个机械互锁点，撑起一张“坚不可摧”的网

为何现代“锁子甲”如此强(qiáng)悍(hàn)？关键就(jiù)在于它拥有密度惊人的机械键合点。

研究人员计算过，在这张二维材料里，每一平方厘米就含有高达100万亿个机械互锁的结合点。这个数字是什么(me)概(gài)念(niàn)呢(ne)？它代表的其实是世界上已知最高的机械键密度！

研究人员自豪地表示，这种材料就像锁子甲一样，能通过每个“互锁点”的滑动来分力。当它受到拉扯，就会立刻把力向多个不同的方向分散，之后成千上万个“锁扣”会“共同”来承担这股力。

所以，若要真正破坏这种结构，人们也就需要在成千上万个地方，同时进行有效地破坏，这显然是极难做到的。

科(kē)幻(huàn)电(diàn)影(yǐng)中(zhōng)的(de)超(chāo)级(jí)盔(kuī)甲(jiǎ)（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：《明(míng)日(rì)战(zhàn)记(jì)》剧(jù)照(zhào)）

看(kàn)科(kē)学家如何用分子“编织”

古代锁子甲的结构以今天的眼光看并不复杂，然而受限于当时的技术，人们需要手工来进行穿环和闭合，制作过程非常繁琐，耗时也极长！那么对于如今的这(zhè)个(gè)“魔(mó)改(gǎi)”版(bǎn)的(de)分(fēn)子(zi)锁(suǒ)子(zi)甲(jiǎ)，要(yào)穿(chuān)起(qǐ)其(qí)中(zhōng)百(bǎi)万(wàn)亿(yì)级(jí)别(bié)的(de)“分(fēn)子(zi)环(huán)”，制(zhì)作(zuò)起(qǐ)来(lái)岂(qǐ)不(bù)是(shì)会(huì)难(nán)于(yú)登(dēng)天(tiān)？

锁子甲的制作工序繁琐，成本较高（图片来源：《怒晴湘西》剧照）

然而事实上，研究人员采用了一种相当巧妙的方法，来相对高效地制作这个“分子链甲”。

首先，他们会挑选一类特殊的X形单体分子，并将它们依靠化学键相连，排列成高度有序的晶体结构。

这些分子形状自带的“空隙”，相当于一个个环结构。科学家们可以在这些缝隙中穿插其他分子链，开始他们的“编织”。

之后，研究人员引入另一种分子，让晶体内部的分子之间形成机械结合点，就像一个个铁环彼此扣在一起，逐渐形成了像锁子甲那样环环相扣的分子结构。最后，研究人员只需要利用相应的溶剂，来破坏片层之间的氢键，就可以令片层之间相互脱离（不会损伤已被编入“二维锁子甲”结构的化学键和机械连接点），分离出一层层完整的“二(èr)维(wéi)”互(hù)锁(suǒ)聚合物薄片。

新材料内彼此机械互锁的“分子环”示意图（图片来源：美国西北大学 Mark Seniw）

锁子甲内彼此机械互锁的金属环（图片来源：维基媒体 Topi Pigula）

强强联手，将新材料应用到更多领域

为了能进一步提升防护能力，研究人员还为新研发的“分子锁子甲”找了个搭档！

他们选用的是工程塑料中的“明星”——Ultem材料。这本身就是一种强度极高的聚合物，一直被广泛应用于航空工业、医疗设备等高端领域。

当二者结合后，成品复合材料的性能测试结果相当惊人！研究人员发现只在Ultem中加入2.5%的“二维”互锁聚合物，材料的抗变形能力就提升了45%，拉伸强度则增加了22%。

科幻片中用来保护科研人员的未来护甲（图片来源：《普罗米修斯》电影）

换句话说，通过额外“加入”一点点这种“分子锁子甲”，人们可以让原本已经很强的材料变得更强！未来，在护具的设计生产中，人们既可以利用这种材料来额外提升强度，也可以在保持原(yuán)有(yǒu)强(qiáng)度(dù)的(de)基(jī)础上，通过引入这种新材料，来将护具做得更轻、更薄。

陶瓷防弹插板过于笨重，以至于有些士兵宁可冒险放弃这种防护（图片来源：维基媒体 Lan Kim）

通过将古人在军事领域的工匠智慧借鉴到最新的材料学研究中，研究人员开发出(chū)了(le)这(zhè)种(zhǒng)在(zài)分(fēn)子层面“二维”机械互锁的新材料。它既坚固又具有一定的柔韧性，和其他聚合物材料结合后，若可以被投入应用，则可以在科研探索、体育护具、航空航天、汽车工业、抢险救灾、军事等多个领域发挥出重要作用！

历史上的“锁子甲”可能只是战士的盔甲，而如今这个21世纪的“分子链甲”，则有望成为全人类科技文明的盔甲！未来，它或许不仅可以作为新一代的通用防护基材，守护我们的日常生活与生产安全，还可能通过与其他材料复合，来助力人类建造出更宏伟的工业造物，开展更大胆的科学探索。

作者：宋世超

策划：刘颖 张超 李培元 杨柳

审核：李好义 北京化工大学机电工程学院 副教授