古代鎖子甲玩到納米級？百萬億分子鎖環能抗極端環境

編者按：在科技迅猛發展的當下，從高精尖設備的研發，到對深海、外太空等極端環境的大膽探索，每一項革新與突破的背后，都離不開新型先進材料的支撐！“逆天改命”新材料系列文章將聚焦那些材料中的“叛逆者”。它們借助科學家們的巧妙設計以及前沿技術的加持，徹底改寫了自身的一些固有特性，從而打破命運的枷鎖，以全新的姿態，肩負起推動人類文明邁向未來的重任！

隨著人類科技水平的提升，許多曾在歷史長河中大放異彩的工具或裝備都逐漸淡出了人們的視野。比如能夠有效抵御刀劍劈砍的中世紀鎖子甲。

但你有沒有想過，當古代的鎖子甲遇上21世紀的納米科技，又會碰撞出怎樣的火花呢？

這項發表于《科學》（Science）期刊的研究介紹了一種新型防護材料：二維機械互鎖聚合物（2D MIM）。它不走尋常路，其分子之間并非僅靠化學鍵連接，而是竟然像鎖子甲中的金屬環一樣彼此嵌套，在微觀層面形成了密密麻麻的“分子鎖鏈”。

“二維分子鎖子甲”的結構示意圖 （圖片來源：美國西北大學 Mark Seniw）

這種材料的2D 聚合物層在每平方微米擁有約100萬個機械鍵合點（mechanical bond），換算一下，每平方厘米就可包含100萬億個機械鍵合點！只需將其少量添加進塑料中，就能顯著提升成品的強韌度。如果相關的技術能夠被投入應用，未來人們在對極端環境進行科學探索，或開展極限運動時，就會擁有更加強悍的防護裝備啦！

騎士的金屬環鎖子甲，變身成現代“分子鏈甲”

鎖子甲是一種中世紀歐洲騎士常用的防護裝備，在我國古代，鎖子甲也被稱為“環鎖鎧”，它雖然普及得較晚，但當人們認識到其優異的防護性能后，便對其進行了豐富的“本土化”改進，衍生出性能更佳的連環甲、山文甲等。

這類鎖子甲絕非展示用的“花瓶”擺設。它能夠通過自身一環扣一環的結構特點，在承受沖擊時，通過環與環之間的滑動自由度，將沖擊力分散到周圍的環上，采用一種“化整為零”的思想，緩解單個金屬環所承受的沖擊，從而能夠有效抵御銳利冷兵器的劈砍。

鎖子甲比板甲輕便，并能有效抵御銳器的劈砍 （圖片來源：維基媒體）

然而，當軍事發展到近代，火槍等熱武器的出現徹底顛覆了戰場規則，面對高速、高溫的子彈，鎖子甲不具備有效的抵抗能力，因此逐漸失去用武之地，淡出了人們的視野。

熱武器的出現和普及 讓鎖子甲逐漸淡出了歷史舞臺 （圖片來源：維基媒體）

直到來自美國西北大學的研究人員創新性地將“鎖子甲”的理念搬進了納米世界。他們合成的二維機械互鎖聚合物（二維的意思是指這種材料的分子環在平面方向上延展），就相當于是一種分子級的“鏈甲”。

該材料中的分子在結構上就如同一個個微縮的鐵環，它們互相穿插，彼此卡住，巧妙依靠“機械互鎖”結構（各個單元仍通過共價鍵作用連接組裝），使其可以保持一定的滑動自由度。最終，當這種微觀層面的“鐵環”被編織成一整張“分子網”，它也就擁有了無與倫比的強韌度。

中世紀的鎖子甲只能擋住刀劍劈砍，而這種納米鏈甲，則有潛力成為未來的泛用型超級護甲，其應用前景也將不再只限于軍事領域。

100萬億個機械互鎖點，撐起一張“堅不可摧”的網

為何現代“鎖子甲”如此強悍？關鍵就在于它擁有密度驚人的機械鍵合點。

研究人員計算過，在這張“二維”材料里，每平方厘米就含有高達100萬億個機械互鎖的結合點。這個數字是什么概念呢？它代表的其實是世界上已知最高的機械鍵密度！

研究人員自豪地表示，這種材料就像鎖子甲一樣，能通過每個“互鎖點”的滑動來分力。當它受到拉扯，就會立刻把力向多個不同的方向分散，之后成千上萬個“鎖扣”會“共同”來承擔這股力。

所以，若要真正破壞這種結構，人們也就需要在成千上萬個地方，同時進行有效地破壞，這顯然是極難做到的。

科幻電影中的超級盔甲 （圖片來源：《明日戰記》劇照）

看科學家如何用分子“編織”

古代鎖子甲的結構以今天的眼光來看并不復雜，然而受限于當時的技術，人們需要手工來進行穿環和閉合，制作過程非常繁瑣，耗時也極長！那么對于如今的這個“魔改”版的分子鎖子甲，要穿起其中百萬億級別的“分子環”，制作起來豈不是會難于登天？

鎖子甲的制作工序繁瑣，成本較高 （圖片來源：《怒晴湘西》劇照）

然而事實上，研究人員采用了一種相當巧妙的方法，可以高效、成規模地制作這種“分子鏈甲”。

首先，他們會挑選一類特殊的X形單體分子，并讓它們依靠化學鍵相連，排列成高度有序的晶體結構。

這些分子形狀所“自帶”的空隙，相當于一個個環結構。科學家們可以在這些空隙中穿插其他分子鏈，開始他們的“編織”。

之后，研究人員引入另一種分子，讓晶體內部的分子之間形成機械結合點，就像一個個鐵環彼此鎖在了一起，逐漸形成像鎖子甲那樣環環相扣的分子結構。

最后，研究人員只需要利用相應的溶劑，來破壞片層之間的氫鍵，就可以令片層相互脫離（不會損傷已被編入“二維鎖子甲”結構的化學鍵和機械連接點），分離出一層層完整的“二維”互鎖聚合物薄片。

新材料內彼此機械互鎖的“分子環”示意圖 （圖片來源：美國西北大學 Mark Seniw）

鎖子甲內彼此機械互鎖的金屬環 （圖片來源：維基媒體 Topi Pigula）

強強聯手，將新材料應用到更多領域

為了能進一步提升防護能力，研究人員還為新研發的“分子鎖子甲”找了個搭檔！

他們選用的是工程塑料中的“明星”——Ultem材料。這本身就是一種強度極高的聚合物，一直被廣泛應用于航空工業、醫療設備等高端領域。

當二者結合后，成品復合材料的性能測試結果相當驚人！研究人員發現只在Ultem中加入2.5%的“二維”互鎖聚合物，材料的抗變形能力就提升了45%，拉伸強度則增加了22%。

科幻片中用來保護科研人員的未來護甲 （圖片來源：《普羅米修斯》電影）

換句話說，通過額外“加入”一點點這種“分子鎖子甲”，人們可以讓原本已經很強的材料變得更強！未來，在護具的設計生產中，人們既可以利用這種材料來額外提升強度，也可以在保持原有強度的基礎上，通過引入這種新材料，來將護具做得更輕、更薄。

陶瓷防彈插板過于笨重，以至于有些士兵寧可冒險放棄這種防護 （圖片來源：維基媒體 Lan Kim）

通過將古人在軍事領域的工匠智慧借鑒到最新的材料學研究中，研究人員開發出了這種在分子層面“二維”機械互鎖的新材料。它既堅固又具有一定的柔韌性，和其他聚合物材料結合后，若可以被投入應用，則有望在科研探索、體育護具、航空航天、汽車工業、搶險救災、軍事等多個領域發揮出重要作用！

歷史上的“鎖子甲”可能只是戰士的鎧甲，但如今這個21世紀的“分子鏈甲”，則有望成為全人類科技文明的護甲！

未來，它或許不僅可以作為新一代的通用防護材料，被用來守護我們的日常生活與生產安全，還可能通過與其他材料復合，來助力人類建造出更宏偉的工業造物，開展更大膽的科學探索。

作者：宋世超

審核專家：李好義 北京化工大學機電工程學院 副教授

本文在科普新媒體平臺“蝌蚪五線譜”刊發，經授權發布