這個實驗室，竟然專門研究納米技術如何用來打仗？！

ISN實驗室簡介

美國麻省理工學院（MIT）作為全球科學技術研究機構的典范，其在基礎研究領域的探索和技術應用領域的開發能力幾乎無人能出其右。MIT一直以來都致力于從科學技術層面對人類生活進行革新，強大的科研體系正是推動社會發展的源動力。而在這背后，完備的學科系統以及種類繁多的交叉研究一直為學校處于全球領先地位提供了堅實的基礎。據不完全統計，截止目前為止，麻省理工建立了超過60個跨學科交叉研究中心、實驗室以及項目。這其中，著名的有引領計算機和信息科學發展的媒體實驗（The MIT Media Lab），研制出雷達的林肯實驗室（Lincoln Laboratory）等等。在這篇文章中，我們將介紹致力于將納米技術應用于軍事用途的實驗室---士兵納米技術研究院（Institute for soldier Nanotechnologies, ISN）。這座實驗室位于波士頓麻省理工校園內，由美國軍方在2002年資助成立，是為MIT、軍隊和工業伙伴展開合作研究提供平臺的跨學科創新中心。實驗室目前由來自包括材料科學與工程系在內的八個院系的師資組成，教授人數超過30人。在這間實驗室里，教授們相互合作，不僅進行基礎研究，還非常注重產品轉化。為了鼓勵技術轉化，實驗室在成立之初就得到了大量的經費資助，最初五年的經費總額超過1億美元。

圖1 ISN實驗室官方網站首頁

ISN實驗室定位清晰，其科研任務就是要幫助美國軍隊提高對士兵的保護力、野外生存能力等軍事能力。具體來說，這類研究任務包括減輕士兵負重、提高防爆防彈能力、開發新型有毒生化物探測和解毒方法、提供生理檢測和自動化醫療以及增強態勢感知能力。為了應對這些挑戰，ISN實驗室期待與納米尺度的相關的物理、光學、電學和化學現象能夠使得最先進的科學技術具備軍事轉化的潛力。

ISN的研究領域和策略

1. 士兵保護、戰場護理和檢測

該項研究注重發展能夠在機械毀滅條件下保護士兵和作戰平臺的輕質強健材料，這些極端力學條件包括爆炸波、彈道影響以及機械振蕩等。此類研究的對象材料包括分子復合物、有機聚合物、超彈性納米晶金屬合金和超高強度陶瓷。該項目的目的是為設計新型高強度輕質材料提供提供新的思路。

2. 情境感知增強型材料

該研究領域主要聚焦下一代士兵安全通訊、多重情境識別和可視化材料。近年來，隨著研究人員對于新型電學、光學和電磁學現象有了更加深入的物理解釋，本研究基于這些研究全面深入地檢測正處于探索階段的發射光譜范圍以及正處于研發階段的新式材料和器件。

3. 可轉換的納米光電材料

該領域旨在理解納米結構材料的基本光學、電學以及傳輸/反應現象，并且探索如何將這些現象運用在推動可便攜電源、通訊、信號處理以及探測技術進步的應用上。

ISN實驗室的主要課題組簡介

ISN實驗室作為多學科交叉領域實驗室，集結了來自物理、航天航空、機械工程、化學以及材料等科系的課題組，以下將介紹一些與材料學相關的課題組的簡要信息。

趙選賀課題組

圖2 趙選賀（圖片來自其課題組主頁）

趙選賀現在擔任MIT機械工程系副教授，其課題組致力于發展人機界面的科學技術，以期解決在健康、可持續以及教育等領域長期存在的社會問題。該實驗室由一個高度跨學科的研究小組組成，成員來自固體力學、軟材料、活性材料、生物材料、生物電子學、3D打印已經理論建模等領域。

課題組主頁：http://zhao.mit.edu/

The Swager Group

圖3 小組成員合影（圖片來自其課題組主頁）

Tim Swager是MIT的John D. MacArthur教授，曾擔任化學系系主任。其課題組的科研活動涉獵廣泛。主要的研究主題包括發展功能材料、探測器、可用于構建共軛系統的反應化學、電子學以及材料/生物界面等，努力創造能夠產生深遠影響的基礎科學及其概念。

課題組主頁：http://swagergroup.mit.edu/

Olsen Research Group

圖4 Olesen課題組（圖片來自其課題組主頁）

Olesen課題組關注生物功能材料以及仿生材料的研究進展，并且深入研究可用于控制納米結構和性能的聚合物理化性質。課題組成員致力于整合聚合物化學和蛋白質工程用于設計合成新型材料，探索分子結構和自組裝行為的關系，運用嵌段共聚物組裝和聚合物凝膠的概念去理解復雜的生物雜交材料。

課題組主頁：http://olsenlab.mit.edu/

The Irvine Lab

圖5 課題組照片（圖片來自其課題組主頁）

Darrell Irvine目前同時擔任MIT生物工程系以及材料科學與工程系教授，同時還是霍華德休斯醫學研究所的研究員。基于免疫學的材料設計方法是探索和發展癌癥治療方法、防治傳染病和自身免疫性疾病的關鍵。因此，Irvine實驗室的終極目標是通過整合生物技術和材料化學來構建基于可調整免疫系統的新型疾病防治措施。基于這個總體方向，實驗室的具體研究主題又可以分為三部分：分別是設計用于增強疫苗效力的智能材料和納米技術、可實現免疫治療的納米材料以及研發可操控和監測免疫系統的新型工具。

課題組主頁：http://irvine-lab.mit.edu/

The Bawendi Group

圖6成員合照（圖片來自其課題組主頁）

該實驗室是納米晶領域的著名實驗室，其研究范圍廣泛，在電子-光子學和生物學領域均設計到從基礎研究到技術應用。該課題組成員一直在探索納米晶的合成，挑戰制備具有新型組分和形貌的納米晶及其異質結構。除此之外，研究開發可以將納米晶用于生物系統或者有機-無機雜化器件的配體也是實驗室的主要目標。

課題組主頁：http://nanocluster.mit.edu/

電子學研究實驗室

圖7 實驗室制備的纖維材料（圖片來自其課題組主頁）

該實驗室由材料科學與工程/電氣工程及計算機科學系教授Yoel Fink主導。該課題組長期致力于新型織物材料的研究，將纖維材料從光學傳輸領域拓展到包括電子學、光電子學甚至聲學領域。

課題組主頁：http://www.rle.mit.edu/pbg/

Strano Research Group

圖8 Michael S. Strano（圖片來自其課題組主頁）

Michael S. Strano是化學工程的Carbon P. Dubbs教授，其領導的實驗室專注在研發能夠改善人類生存條件的材料。利用數學和化學工具來理解納米尺度的科學現象，并基于此來發明可用于健康、能源、食物工業和材料科學的新型技術。

課題組主頁：https://srg.mit.edu/

ISN實驗室的最新納米軍事相關的研究成果介紹

1.“比黑更黑”的材料

圖9 超黑材料

黑色材料在航空航天工業中是非常受歡迎的材料，其在光學領域的應用也有助于士兵在戰場上提升戰斗力。例如可利用碳納米管-金屬基質作為戰斗涂層材料，在減輕航天器重量、探測吸收和高空防結冰等方面均具有潛在應用價值。然而，金屬基質如鋁或鐵合金在周邊環境中表面會形成一層活性的氧化物層，對電子和聲子傳輸造成巨大的障礙。

ISN實驗室的B. L. Wardle等人闡述了一種新型處理方法來打破活性氧化物層，并制備了高質量、高性能的碳納米管-可活化金屬基質材料。研究人員利用表面活化，即將鋁合金浸沒在水溶液中，溶液中的氯離子在金屬表面誘發改性行為。表面活化不僅可以去除氧化物層，使得金屬表面可以和碳納米管直接接觸；還可以創造納米構造的表面結構，使得催化物負載量以及催化活性大幅提高。由此而來的碳納米管-金屬分級結構創造了絕緣的無能壘傳輸通道，并且阻斷了氧化物層的形成，使得界面電阻增強了數倍。此外，這種分級結構在從紫外到太赫茲波段具有10^-5級別的反射率，比此前報道過的任何寬譜吸收材料的反射率要低至少一個數量級，因此這種材料的全向天線黑體光吸收性能也被驗證及其高效。

文獻鏈接：Breakdown of Native Oxide Enables Multifunctional, Free-Form?Carbon Nanotube?Metal Hierarchical Architectures

2.用于3D打印的多材質纖維墨水

圖10 可以進行光發射和光檢測的雙功能打印墨水

具有三維形式的材料在檢測、光子器件及電子學等方面都有巨大的應用價值。在眾多三維材料制備方法中，增材制造，即我們熟知的3D打印技術具有高通量，可訂制等特點，是今年來新興的制備方法。高速打印高度復雜自由形式的形態可以在突發情況下完整制備所需的光電子器件。然而，目前開發的打印技術大多數是為特定的某類材料貼身訂制而成的，這對于制備擁有多種材料體系的復雜器件時一個巨大的挑戰。

Yoel Fink課題組報道了一種打印細絲材料，可將多種不同體系的材料打印整合進復雜精妙的微結構中。這種細絲材料可以被熱拉達到千米級的長度，這一特性使其成為非常理想的融合沉積建模打印墨水材料。以聚碳酸酯等熱彈性聚合物作為包覆層，各個材料體系可以無視熔點而被共同包覆進細絲結構中。通過聚合物基質的介導，這些微尺度材料可以在細絲熱拉過程中或者細絲后處理過程中形成高質量的器件界面。依照這樣的思路，文章中報道成功制備了以錫化鉍合作為內核、硫化鋅作為電致發光材料的0維光發射細絲墨水，以及硒化砷作為光敏材料、CPE作為導電層的一維光檢測墨水。通過將兩種墨水結合打印，研究制備了雙功能化的三維結構，可以有效應用于檢測材料結構缺陷。該工作認為，結構化多材料體系的打印墨水的發明為三維打印功能化器件提供了新的思路。

文獻鏈接：Structured multimaterial filaments for 3D printing of optoelectronics

3.可穿越腦部的機器針線

圖11 磁性軟機器針線的示意圖

中風是不僅能夠極大地妨礙身體的日常行動，還是目前導致死亡的主要原因之一。但是，如果在病發后的90分鐘內可以進行有效的治理，中風病人的存活率可以顯著提高。因此，設計可以在黃金搶救期有效逆轉腦部血管阻斷的器件和材料，對于在戰場等緊急情況下避免永久性的腦部傷害具有巨大的意義。

趙選賀團隊開發設計了一種軟機器針線材料，可以承擔清除腦部血栓的任務。這種針線的內核有鎳鈦合金組成，具有極佳的彎曲性和彈性。在內核之外，研究利用嵌入有磁性顆粒的相較作為外層包覆內核，最后將復合的磁性合金線浸沒在溶膠狀態的聚合物PDMAA中，通過紫外交聯的方式在合金線外表線形成水凝膠表面，從而最終制備可用于手術操作的軟機器針線。PDMAA表面不僅可提高合金線的生物相容性，還可有效減小摩擦作用。在外部磁場的作用下，這種針線如牽線木偶一樣可以被輕松地穿過針眼般的小環，展現了優異的操作精確性。在模擬實驗中，課題組用實物大小的腦部主要血管硅膠復制物作為模型，在模擬體內血流速度的液流中，機器針線依然能夠在狹窄的管道中蜿蜒行進。研究人員認為，該項工作具有改善封閉式腦部外科手術復雜性的潛力。

文獻鏈接：Ferromagnetic soft continuum robots

4. 可大幅提高水下生存時間的新式潛水服

圖12 氯丁橡膠織物材料的熱導率測量表征

當海豹突擊隊潛行在海洋之中，或者救援隊在冰層一下展開救援行動時，潛水員的生存時間是非常有限的---大概只有幾十分鐘，并且整個過程都非常痛苦。因此，對于海軍和科研搜查來說，找到能夠在不妨礙運動的前提下延長生存時間的方法是目前面臨的挑戰。

Strano課題組首先研究了自然界動物在冰冷海水中的生存之法，并總結了以下三種類型：皮毛中包裹有空氣層，如企鵝；熱血動物可自身產熱，如大白鯊等；身體具有優異的隔熱層可以最小限度地減少熱損耗，如海豹或者鯨魚的脂肪。研究人員根據這幾種類型，經過實驗室的反復模擬測試，發現隔熱層和氣體層的結合可以最優化水下生存時間。該研究利用氯丁橡膠作為潛水服的織物材料，這種材料成本低廉，可以加工產生一種類似泡沫聚苯乙烯的封閉氣室結構。研究人員則利用高壓加工的方法，將高分子量氣體如氙氣或者氪氣通入到封閉氣室中，發現材料的隔熱性能得到了顯著地提高，其熱導率可降低至0.031Wm^-1K^-1左右，這一數據也打破了現有織物的最低熱導率。利用這種織物材料作為潛水服進行水下實驗時，研究人員發現在低于10攝氏度的水下環境中，生存時間可以提高一倍達到三小時左右。

文獻鏈接：Noble-gas-infused neoprene closed-cell foams achieving ultra-low thermal conductivity fabrics

本文由nanoCJ供稿。

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