编者按：在科技迅猛发展的当下，从高精尖设备的研发，到对深海、外太空等极端环境的大胆探索，每一项革新与突破的背后，都离不开新型先进材料的支撑！“逆天改命”新材料系列文章将聚焦那些材料中的“叛逆者”。它们借助科学家们的巧妙设计以及前沿技术的加持，彻底改写了自身的一些固有特性，从而打破命运的枷锁，以全新的姿态，肩负起推动人类文明迈向未来的重任！

“二维分子锁子甲”的结构示意图（图片来源：美国西北大学 Mark Seniw）

随着人类科技水平的提升，许多曾在历史长河中大放异彩的工具或装备都逐渐淡出了人们的视野。比如能够有效抵御刀剑劈砍的中世纪锁子甲。

但你有没有想过，当古代的锁子甲遇上21世纪的纳米科技，又会碰撞出怎样的火花呢？

这项发表于《科学》（Science）期刊的研究介绍了一种新型防护材料：二维机械互锁聚合物（2D MIM）。它不走寻常路，其分子之间并非仅靠化学键连接，而是竟然像锁子甲中的金属环一样彼此嵌套，在微观层面形成了密密麻麻的“分子锁链”。

这种材料的2D 聚合物层在每平方微米拥有约100万个机械键合点（mechanical bond），换算一下，每平方厘米就可包含100万亿个机械键合点！只需将其少量添加进塑料中，就能显著提升成品的强韧度。如果相关的技术能够被投入应用，未来人们在对极端环境进行科学探索，或开展极限运动时，就会拥有更加强悍、安全的防护装备啦！

骑士的金属环锁子甲，变身成现代“分子链甲”

锁子甲是中世纪欧洲骑士常用的一种防护装备，在我国古代，锁子甲也被称为“环锁铠”，它虽然普及得较晚，但当人们认识到其优异的防护性能后，对其进行了丰富的“本土化”改进，衍生出性能更佳的连环甲、山文甲等。

这类锁子甲绝非展示用的“花瓶”摆设。它能够通过自身一环扣一环的结构特点，在承受冲击时，通过环与环之间的滑动自由度，将冲击力分散到周围的环上，采用一种“化整为零”的思想，缓解单个金属环所承受的冲击，从而能够有效抵御锐利冷兵器的劈砍。

锁子甲比板甲轻便，并能有效抵御锐器的劈砍（图片来源：维基媒体）

然而，当军事发展到近代，火枪等热武器的出现彻底颠覆了战场规则，面对高速、高温的子弹，锁子甲不具备有效的抵抗能力，因此逐渐失去用武之地，淡出了人们的视野。

直到来自美国西北大学的研究人员创新性地将“锁子甲”的理念搬进了纳米世界。他们合成的二维机械互锁聚合物（二维的意思是指这种材料的分子环在平面方向上延展），就相当于是一种分子级的“链甲”。

该材料中的分子在结构上就如同一个个微缩的铁环，它们互相穿插，彼此卡住，巧妙依靠“机械互锁”结构（各个单元仍通过共价键作用链接组装），使其可以保持一定的滑动自由度。最终，当这种微观层面的“铁环”被编织成一整张“分子网”，它也就拥有了无与伦比的强韧度。

中世纪的锁子甲只能挡住刀剑劈砍，而这种纳米链甲，则有潜力成为未来的最强护甲，其应用前景也将不再只限于军事领域。

100万亿个机械互锁点，撑起一张“坚不可摧”的网

为何现代“锁子甲”如此强悍？关键就在于它拥有密度惊人的机械键合点。

研究人员计算过，在这张二维材料里，每一平方厘米就含有高达100万亿个机械互锁的结合点。这个数字是什么概念呢？它代表的其实是世界上已知最高的机械键密度！

研究人员自豪地表示，这种材料就像锁子甲一样，能通过每个“互锁点”的滑动来分力。当它受到拉扯，就会立刻把力向多个不同的方向分散，之后成千上万个“锁扣”会“共同”来承担这股力。

所以，若要真正破坏这种结构，人们也就需要在成千上万个地方，同时进行有效地破坏，这显然是极难做到的。

科幻电影中的超级盔甲（图片来源：《明日战记》剧照）

看科学家如何用分子“编织”

古代锁子甲的结构以今天的眼光看并不复杂，然而受限于当时的技术，人们需要手工来进行穿环和闭合，制作过程非常繁琐，耗时也极长！那么对于如今的这个“魔改”版的分子锁子甲，要穿起其中百万亿级别的“分子环”，制作起来岂不是会难于登天？

锁子甲的制作工序繁琐，成本较高（图片来源：《怒晴湘西》剧照）

然而事实上，研究人员采用了一种相当巧妙的方法，来相对高效地制作这个“分子链甲”。

首先，他们会挑选一类特殊的X形单体分子，并将它们依靠化学键相连，排列成高度有序的晶体结构。

这些分子形状自带的“空隙”，相当于一个个环结构。科学家们可以在这些缝隙中穿插其他分子链，开始他们的“编织”。

之后，研究人员引入另一种分子，让晶体内部的分子之间形成机械结合点，就像一个个铁环彼此扣在一起，逐渐形成了像锁子甲那样环环相扣的分子结构。最后，研究人员只需要利用相应的溶剂，来破坏片层之间的氢键，就可以令片层之间相互脱离（不会损伤已被编入“二维锁子甲”结构的化学键和机械连接点），分离出一层层完整的“二维”互锁聚合物薄片。

新材料内彼此机械互锁的“分子环”示意图（图片来源：美国西北大学 Mark Seniw）

锁子甲内彼此机械互锁的金属环（图片来源：维基媒体 Topi Pigula）

强强联手，将新材料应用到更多领域

为了能进一步提升防护能力，研究人员还为新研发的“分子锁子甲”找了个搭档！

他们选用的是工程塑料中的“明星”——Ultem材料。这本身就是一种强度极高的聚合物，一直被广泛应用于航空工业、医疗设备等高端领域。

当二者结合后，成品复合材料的性能测试结果相当惊人！研究人员发现只在Ultem中加入2.5%的“二维”互锁聚合物，材料的抗变形能力就提升了45%，拉伸强度则增加了22%。

科幻片中用来保护科研人员的未来护甲（图片来源：《普罗米修斯》电影）

换句话说，通过额外“加入”一点点这种“分子锁子甲”，人们可以让原本已经很强的材料变得更强！未来，在护具的设计生产中，人们既可以利用这种材料来额外提升强度，也可以在保持原有强度的基础上，通过引入这种新材料，来将护具做得更轻、更薄。

陶瓷防弹插板过于笨重，以至于有些士兵宁可冒险放弃这种防护（图片来源：维基媒体 Lan Kim）

通过将古人在军事领域的工匠智慧借鉴到最新的材料学研究中，研究人员开发出了这种在分子层面“二维”机械互锁的新材料。它既坚固又具有一定的柔韧性，和其他聚合物材料结合后，若可以被投入应用，则可以在科研探索、体育护具、航空航天、汽车工业、抢险救灾、军事等多个领域发挥出重要作用！

历史上的“锁子甲”可能只是战士的盔甲，而如今这个21世纪的“分子链甲”，则有望成为全人类科技文明的盔甲！未来，它或许不仅可以作为新一代的通用防护基材，守护我们的日常生活与生产安全，还可能通过与其他材料复合，来助力人类建造出更宏伟的工业造物，开展更大胆的科学探索。

作者：宋世超

策划：刘颖 张超 李培元 杨柳

审核：李好义 北京化工大学机电工程学院 副教授

来源: 蝌蚪五线谱