一種看似簡單的透明塑膠袋——你在超市裡用來裝水果和蔬菜的那種——真的能像鋼鐵一樣堅固嗎？ 如果它是用一種新型複合塑膠製成的，這種塑膠將奈米粒子的強度與水溶性聚合物的柔韌性結合起來，那麼它就可以做到。
雖然奈米管、奈米片和奈米棒以少量組合時非常堅固，但這已不是什麼秘密，但由這些微觀構建塊製成的大型材料無法利用其大部分強度，因為它們之間的連線很薄弱。 但密歇根大學安 Arbor 分校的研究人員在《科學》雜誌上報告說，他們已經找到了一種方法，透過在奈米片和類似於白色膠水的奈米級聚合物之間傳遞應力，將奈米材料的強度擴充套件到更大的材料。 從視覺上看，它就像一面磚牆，其中粘土奈米片“磚塊”由水溶性聚乙烯醇“砂漿”粘合在一起。 研究人員表示，結果是一種輕便透明但強度堪比鋼鐵的複合塑膠。
該研究的合著者、密歇根大學工程學教授尼古拉斯·科托夫說：“如果你單獨取出奈米級材料，比如一根碳管或一片粘土片，它們的機械效能將令人驚歎。” 然而，簡單地將大量粘土奈米尺寸的薄片組合成一個連續的塊，就會產生一種佈滿裂紋的脆性粉筆狀材料。
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研究人員使用機械臂均勻地混合了數百萬片邊長 100 奈米、厚度 1 奈米（1 奈米等於 3.94 x 10-8 英寸）的正方形粘土薄片，並使用與 Elmer's 膠水相同的聚合物，製造出一條厚度與塑膠薄膜相當的透明材料條。 機械臂透過將一片口香糖大小的玻璃交替浸入類似膠水的聚合物溶液中，然後再浸入粘土奈米片分散液中，從而製成了這種新材料。 最終的結果——由 300 層混合奈米材料和聚合物組成——模仿了貽貝和牡蠣殼內襯中的珍珠母。
協助這項研究的密歇根大學工程學院博士生保羅·波德西亞德洛說：“這種材料是一個典範結構，我們幾乎實現了奈米級機械效能到宏觀尺度的理想轉移。” “如果我們能夠進一步利用這些其他奈米材料實現同樣的目標，那麼我們將能夠製造出重量輕且效能遠超鋼鐵的複合材料。”
磚塊和砂漿結構使各層能夠形成協同氫鍵，從而產生科托夫所說的“尼龍搭扣效應”——這是該材料如此堅固的原因之一。 這種鍵一旦斷裂，就可以很容易地在新位置重新形成。 科托夫正在開發將複合材料應用於微機電系統 (MEMS) 和器件以及用於驅動和閥門製造的微流體器件的方法。 除了軍事用途外，提高研究人員奈米注入塑膠的延展性，可能有助於開發防凹痕和防刮擦的汽車和擋風玻璃。
該研究的另一位合著者、密歇根大學機械工程學教授艾倫·阿魯達說，現在研究人員已經創造出一種具有抗變形能力（剛度）和抗負載能力（強度）的複合材料，他們正在努力提高複合材料的能量耗散能力，從而提高其韌性。 她說：“我們希望這種材料能夠吸收彈丸的能量。”
這項研究的推動力是美國國防部去年授予的 120 萬美元的撥款，國防部對開發更有效的空軍無人飛行器裝甲以及其他軍種的車輛和防彈衣感興趣。
科托夫說，這種複合材料的成本很難估算。 元件價格低廉，該工藝不需要大量的能源消耗，但這絕不是一個快速的過程。 成本將在很大程度上取決於開發高效工藝來製造奈米注入複合材料的效率，以及這些複合材料是否需要大批次生產。 對於 MEMS 和微流體器件等高度專業化的技術而言，成本不會像製造大型裝甲板那樣成為一個大問題。
這些複合材料的開發預計也將減少對環境的影響，因為這種超強聚合物不需要製造鋼鐵所需的高溫或大量能源消耗。