一种看似简单的透明塑料袋——你在超市里用来装水果和蔬菜的那种——真的能像钢铁一样坚固吗？ 如果它是用一种新型复合塑料制成的，这种塑料将纳米粒子的强度与水溶性聚合物的柔韧性结合起来，那么它就可以做到。
虽然纳米管、纳米片和纳米棒以少量组合时非常坚固，但这已不是什么秘密，但由这些微观构建块制成的大型材料无法利用其大部分强度，因为它们之间的连接很薄弱。 但密歇根大学安 Arbor 分校的研究人员在《科学》杂志上报告说，他们已经找到了一种方法，通过在纳米片和类似于白色胶水的纳米级聚合物之间传递应力，将纳米材料的强度扩展到更大的材料。 从视觉上看，它就像一面砖墙，其中粘土纳米片“砖块”由水溶性聚乙烯醇“砂浆”粘合在一起。 研究人员表示，结果是一种轻便透明但强度堪比钢铁的复合塑料。
该研究的合著者、密歇根大学工程学教授尼古拉斯·科托夫说：“如果你单独取出纳米级材料，比如一根碳管或一片粘土片，它们的机械性能将令人惊叹。” 然而，简单地将大量粘土纳米尺寸的薄片组合成一个连续的块，就会产生一种布满裂纹的脆性粉笔状材料。
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研究人员使用机械臂均匀地混合了数百万片边长 100 纳米、厚度 1 纳米（1 纳米等于 3.94 x 10-8 英寸）的正方形粘土薄片，并使用与 Elmer's 胶水相同的聚合物，制造出一条厚度与塑料薄膜相当的透明材料条。 机械臂通过将一片口香糖大小的玻璃交替浸入类似胶水的聚合物溶液中，然后再浸入粘土纳米片分散液中，从而制成了这种新材料。 最终的结果——由 300 层混合纳米材料和聚合物组成——模仿了贻贝和牡蛎壳内衬中的珍珠母。
协助这项研究的密歇根大学工程学院博士生保罗·波德西亚德洛说：“这种材料是一个典范结构，我们几乎实现了纳米级机械性能到宏观尺度的理想转移。” “如果我们能够进一步利用这些其他纳米材料实现同样的目标，那么我们将能够制造出重量轻且性能远超钢铁的复合材料。”
砖块和砂浆结构使各层能够形成协同氢键，从而产生科托夫所说的“尼龙搭扣效应”——这是该材料如此坚固的原因之一。 这种键一旦断裂，就可以很容易地在新位置重新形成。 科托夫正在开发将复合材料应用于微机电系统 (MEMS) 和器件以及用于驱动和阀门制造的微流体器件的方法。 除了军事用途外，提高研究人员纳米注入塑料的延展性，可能有助于开发防凹痕和防刮擦的汽车和挡风玻璃。
该研究的另一位合著者、密歇根大学机械工程学教授艾伦·阿鲁达说，现在研究人员已经创造出一种具有抗变形能力（刚度）和抗负载能力（强度）的复合材料，他们正在努力提高复合材料的能量耗散能力，从而提高其韧性。 她说：“我们希望这种材料能够吸收弹丸的能量。”
这项研究的推动力是美国国防部去年授予的 120 万美元的拨款，国防部对开发更有效的空军无人飞行器装甲以及其他军种的车辆和防弹衣感兴趣。
科托夫说，这种复合材料的成本很难估算。 组件价格低廉，该工艺不需要大量的能源消耗，但这绝不是一个快速的过程。 成本将在很大程度上取决于开发高效工艺来制造纳米注入复合材料的效率，以及这些复合材料是否需要大批量生产。 对于 MEMS 和微流体器件等高度专业化的技术而言，成本不会像制造大型装甲板那样成为一个大问题。
这些复合材料的开发预计也将减少对环境的影响，因为这种超强聚合物不需要制造钢铁所需的高温或大量能源消耗。