这个实验室，竟然专门研究纳米技术如何用来打仗？！

ISN实验室简介

美国麻省理工学院（MIT）作为全球科学技术研究机构的典范，其在基础研究领域的探索和技术应用领域的开发能力几乎无人能出其右。MIT一直以来都致力于从科学技术层面对人类生活进行革新，强大的科研体系正是推动社会发展的源动力。而在这背后，完备的学科系统以及种类繁多的交叉研究一直为学校处于全球领先地位提供了坚实的基础。据不完全统计，截止目前为止，麻省理工建立了超过60个跨学科交叉研究中心、实验室以及项目。这其中，著名的有引领计算机和信息科学发展的媒体实验（The MIT Media Lab），研制出雷达的林肯实验室（Lincoln Laboratory）等等。在这篇文章中，我们将介绍致力于将纳米技术应用于军事用途的实验室---士兵纳米技术研究院（Institute for soldier Nanotechnologies, ISN）。这座实验室位于波士顿麻省理工校园内，由美国军方在2002年资助成立，是为MIT、军队和工业伙伴展开合作研究提供平台的跨学科创新中心。实验室目前由来自包括材料科学与工程系在内的八个院系的师资组成，教授人数超过30人。在这间实验室里，教授们相互合作，不仅进行基础研究，还非常注重产品转化。为了鼓励技术转化，实验室在成立之初就得到了大量的经费资助，最初五年的经费总额超过1亿美元。

图1 ISN实验室官方网站首页

ISN实验室定位清晰，其科研任务就是要帮助美国军队提高对士兵的保护力、野外生存能力等军事能力。具体来说，这类研究任务包括减轻士兵负重、提高防爆防弹能力、开发新型有毒生化物探测和解毒方法、提供生理检测和自动化医疗以及增强态势感知能力。为了应对这些挑战，ISN实验室期待与纳米尺度的相关的物理、光学、电学和化学现象能够使得最先进的科学技术具备军事转化的潜力。

ISN的研究领域和策略

1. 士兵保护、战场护理和检测

该项研究注重发展能够在机械毁灭条件下保护士兵和作战平台的轻质强健材料，这些极端力学条件包括爆炸波、弹道影响以及机械振荡等。此类研究的对象材料包括分子复合物、有机聚合物、超弹性纳米晶金属合金和超高强度陶瓷。该项目的目的是为设计新型高强度轻质材料提供提供新的思路。

2. 情境感知增强型材料

该研究领域主要聚焦下一代士兵安全通讯、多重情境识别和可视化材料。近年来，随着研究人员对于新型电学、光学和电磁学现象有了更加深入的物理解释，本研究基于这些研究全面深入地检测正处于探索阶段的发射光谱范围以及正处于研发阶段的新式材料和器件。

3. 可转换的纳米光电材料

该领域旨在理解纳米结构材料的基本光学、电学以及传输/反应现象，并且探索如何将这些现象运用在推动可便携电源、通讯、信号处理以及探测技术进步的应用上。

ISN实验室的主要课题组简介

ISN实验室作为多学科交叉领域实验室，集结了来自物理、航天航空、机械工程、化学以及材料等科系的课题组，以下将介绍一些与材料学相关的课题组的简要信息。

赵选贺课题组

图2 赵选贺（图片来自其课题组主页）

赵选贺现在担任MIT机械工程系副教授，其课题组致力于发展人机界面的科学技术，以期解决在健康、可持续以及教育等领域长期存在的社会问题。该实验室由一个高度跨学科的研究小组组成，成员来自固体力学、软材料、活性材料、生物材料、生物电子学、3D打印已经理论建模等领域。

课题组主页：http://zhao.mit.edu/

The Swager Group

图3 小组成员合影（图片来自其课题组主页）

Tim Swager是MIT的John D. MacArthur教授，曾担任化学系系主任。其课题组的科研活动涉猎广泛。主要的研究主题包括发展功能材料、探测器、可用于构建共轭系统的反应化学、电子学以及材料/生物界面等，努力创造能够产生深远影响的基础科学及其概念。

课题组主页：http://swagergroup.mit.edu/

Olsen Research Group

图4 Olesen课题组（图片来自其课题组主页）

Olesen课题组关注生物功能材料以及仿生材料的研究进展，并且深入研究可用于控制纳米结构和性能的聚合物理化性质。课题组成员致力于整合聚合物化学和蛋白质工程用于设计合成新型材料，探索分子结构和自组装行为的关系，运用嵌段共聚物组装和聚合物凝胶的概念去理解复杂的生物杂交材料。

课题组主页：http://olsenlab.mit.edu/

The Irvine Lab

图5 课题组照片（图片来自其课题组主页）

Darrell Irvine目前同时担任MIT生物工程系以及材料科学与工程系教授，同时还是霍华德休斯医学研究所的研究员。基于免疫学的材料设计方法是探索和发展癌症治疗方法、防治传染病和自身免疫性疾病的关键。因此，Irvine实验室的终极目标是通过整合生物技术和材料化学来构建基于可调整免疫系统的新型疾病防治措施。基于这个总体方向，实验室的具体研究主题又可以分为三部分：分别是设计用于增强疫苗效力的智能材料和纳米技术、可实现免疫治疗的纳米材料以及研发可操控和监测免疫系统的新型工具。

课题组主页：http://irvine-lab.mit.edu/

The Bawendi Group

图6成员合照（图片来自其课题组主页）

该实验室是纳米晶领域的著名实验室，其研究范围广泛，在电子-光子学和生物学领域均设计到从基础研究到技术应用。该课题组成员一直在探索纳米晶的合成，挑战制备具有新型组分和形貌的纳米晶及其异质结构。除此之外，研究开发可以将纳米晶用于生物系统或者有机-无机杂化器件的配体也是实验室的主要目标。

课题组主页：http://nanocluster.mit.edu/

电子学研究实验室

图7 实验室制备的纤维材料（图片来自其课题组主页）

该实验室由材料科学与工程/电气工程及计算机科学系教授Yoel Fink主导。该课题组长期致力于新型织物材料的研究，将纤维材料从光学传输领域拓展到包括电子学、光电子学甚至声学领域。

课题组主页：http://www.rle.mit.edu/pbg/

Strano Research Group

图8 Michael S. Strano（图片来自其课题组主页）

Michael S. Strano是化学工程的Carbon P. Dubbs教授，其领导的实验室专注在研发能够改善人类生存条件的材料。利用数学和化学工具来理解纳米尺度的科学现象，并基于此来发明可用于健康、能源、食物工业和材料科学的新型技术。

课题组主页：https://srg.mit.edu/

ISN实验室的最新纳米军事相关的研究成果介绍

1.“比黑更黑”的材料

图9 超黑材料

黑色材料在航空航天工业中是非常受欢迎的材料，其在光学领域的应用也有助于士兵在战场上提升战斗力。例如可利用碳纳米管-金属基质作为战斗涂层材料，在减轻航天器重量、探测吸收和高空防结冰等方面均具有潜在应用价值。然而，金属基质如铝或铁合金在周边环境中表面会形成一层活性的氧化物层，对电子和声子传输造成巨大的障碍。

ISN实验室的B. L. Wardle等人阐述了一种新型处理方法来打破活性氧化物层，并制备了高质量、高性能的碳纳米管-可活化金属基质材料。研究人员利用表面活化，即将铝合金浸没在水溶液中，溶液中的氯离子在金属表面诱发改性行为。表面活化不仅可以去除氧化物层，使得金属表面可以和碳纳米管直接接触；还可以创造纳米构造的表面结构，使得催化物负载量以及催化活性大幅提高。由此而来的碳纳米管-金属分级结构创造了绝缘的无能垒传输通道，并且阻断了氧化物层的形成，使得界面电阻增强了数倍。此外，这种分级结构在从紫外到太赫兹波段具有10^-5级别的反射率，比此前报道过的任何宽谱吸收材料的反射率要低至少一个数量级，因此这种材料的全向天线黑体光吸收性能也被验证及其高效。

文献链接：Breakdown of Native Oxide Enables Multifunctional, Free-Form Carbon Nanotube−Metal Hierarchical Architectures

2.用于3D打印的多材质纤维墨水

图10 可以进行光发射和光检测的双功能打印墨水

具有三维形式的材料在检测、光子器件及电子学等方面都有巨大的应用价值。在众多三维材料制备方法中，增材制造，即我们熟知的3D打印技术具有高通量，可订制等特点，是今年来新兴的制备方法。高速打印高度复杂自由形式的形态可以在突发情况下完整制备所需的光电子器件。然而，目前开发的打印技术大多数是为特定的某类材料贴身订制而成的，这对于制备拥有多种材料体系的复杂器件时一个巨大的挑战。

Yoel Fink课题组报道了一种打印细丝材料，可将多种不同体系的材料打印整合进复杂精妙的微结构中。这种细丝材料可以被热拉达到千米级的长度，这一特性使其成为非常理想的融合沉积建模打印墨水材料。以聚碳酸酯等热弹性聚合物作为包覆层，各个材料体系可以无视熔点而被共同包覆进细丝结构中。通过聚合物基质的介导，这些微尺度材料可以在细丝热拉过程中或者细丝后处理过程中形成高质量的器件界面。依照这样的思路，文章中报道成功制备了以锡化铋合作为内核、硫化锌作为电致发光材料的0维光发射细丝墨水，以及硒化砷作为光敏材料、CPE作为导电层的一维光检测墨水。通过将两种墨水结合打印，研究制备了双功能化的三维结构，可以有效应用于检测材料结构缺陷。该工作认为，结构化多材料体系的打印墨水的发明为三维打印功能化器件提供了新的思路。

文献链接：Structured multimaterial filaments for 3D printing of optoelectronics

3.可穿越脑部的机器针线

图11 磁性软机器针线的示意图

中风是不仅能够极大地妨碍身体的日常行动，还是目前导致死亡的主要原因之一。但是，如果在病发后的90分钟内可以进行有效的治理，中风病人的存活率可以显著提高。因此，设计可以在黄金抢救期有效逆转脑部血管阻断的器件和材料，对于在战场等紧急情况下避免永久性的脑部伤害具有巨大的意义。

赵选贺团队开发设计了一种软机器针线材料，可以承担清除脑部血栓的任务。这种针线的内核有镍钛合金组成，具有极佳的弯曲性和弹性。在内核之外，研究利用嵌入有磁性颗粒的相较作为外层包覆内核，最后将复合的磁性合金线浸没在溶胶状态的聚合物PDMAA中，通过紫外交联的方式在合金线外表线形成水凝胶表面，从而最终制备可用于手术操作的软机器针线。PDMAA表面不仅可提高合金线的生物相容性，还可有效减小摩擦作用。在外部磁场的作用下，这种针线如牵线木偶一样可以被轻松地穿过针眼般的小环，展现了优异的操作精确性。在模拟实验中，课题组用实物大小的脑部主要血管硅胶复制物作为模型，在模拟体内血流速度的液流中，机器针线依然能够在狭窄的管道中蜿蜒行进。研究人员认为，该项工作具有改善封闭式脑部外科手术复杂性的潜力。

文献链接：Ferromagnetic soft continuum robots

4. 可大幅提高水下生存时间的新式潜水服

图12 氯丁橡胶织物材料的热导率测量表征

当海豹突击队潜行在海洋之中，或者救援队在冰层一下展开救援行动时，潜水员的生存时间是非常有限的---大概只有几十分钟，并且整个过程都非常痛苦。因此，对于海军和科研搜查来说，找到能够在不妨碍运动的前提下延长生存时间的方法是目前面临的挑战。

Strano课题组首先研究了自然界动物在冰冷海水中的生存之法，并总结了以下三种类型：皮毛中包裹有空气层，如企鹅；热血动物可自身产热，如大白鲨等；身体具有优异的隔热层可以最小限度地减少热损耗，如海豹或者鲸鱼的脂肪。研究人员根据这几种类型，经过实验室的反复模拟测试，发现隔热层和气体层的结合可以最优化水下生存时间。该研究利用氯丁橡胶作为潜水服的织物材料，这种材料成本低廉，可以加工产生一种类似泡沫聚苯乙烯的封闭气室结构。研究人员则利用高压加工的方法，将高分子量气体如氙气或者氪气通入到封闭气室中，发现材料的隔热性能得到了显著地提高，其热导率可降低至0.031Wm^-1K^-1左右，这一数据也打破了现有织物的最低热导率。利用这种织物材料作为潜水服进行水下实验时，研究人员发现在低于10摄氏度的水下环境中，生存时间可以提高一倍达到三小时左右。

文献链接：Noble-gas-infused neoprene closed-cell foams achieving ultra-low thermal conductivity fabrics

本文由nanoCJ供稿。

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