戰火中讀完本科，現在她能讓子彈在撞擊瞬間「消失」
圖片來源：北卡羅來納州立大學/Youtube
這種多孔物質如何讓一顆射來的穿甲彈消失……
阿夫薩內·拉比伊（Afsaneh Rabiei）永遠都不會忘記參觀工廠的那天。她在學校的組織下參觀伊朗一家工廠，看到通紅的鋼鐵在產線上滾動，然後被改變成任何形狀。拉比伊現在是美國北卡羅來納州立大學（NC State University）機械與航空航天工程系的教授，那是她愛上工程學的時刻。
初遇工程學的驚喜時刻激勵拉比伊到伊朗德黑蘭、日本東京以及美國馬薩諸塞州等地學習材料科學與工程學，而這些經歷也為她新材料的發明奠定了基礎。從汽車保險杠到防彈裝甲再到生物醫學設備，各個領域都可能被這種突破性的材料徹底改變。
愛上工程的她
1978年，拉比伊進入伊朗謝里夫理工大學（Sharif University of Technology）學習材料科學與工程。這所學校被譽為伊朗的麻省理工學院，每年在伊朗全國只招收約700名學生。但不幸的是，那一年伊朗伊斯蘭革命（又稱1979年革命）開始了。
1977至1978年，伊朗民眾發起了反對伊朗君主體制的大規模示威活動，到1978年年底，罷工及示威活動已然成為一場廣泛的起義，使得伊朗整個國家陷入癱瘓，最終導致統治伊朗的最後一個王朝——巴列維王朝（Pahlavi dynasty）於1979年被推翻。受此影響，拉比伊直到1986年才完成本科學業。
Afsaneh Rabiei（圖片來源：北卡羅來納州立大學）
畢業后，拉比伊先在工業界度過一段時間，作為一名工程師積累了許多關於鑄造、焊接和材料測試方面的經驗。然後，她在20世紀90年代初重返學術界，並於1997年從日本東京大學獲得先進材料博士學位，還在美國哈佛大學做了近3年的博士后研究。之後，她來到北卡羅來納州立大學機械與航空航天工程系從助理教授開始做起。
由於拉比伊的博士研究涉及金屬基複合材料，例如將碳纖維與鋁結合來增加材料的硬度，後來在哈佛大學期間主要關注金屬泡沫（metal foam），也就是將氣體或發泡劑引入熔融金屬中，製造出多孔且輕質的材料。
於是，在北卡羅來納州立大學，拉比伊決定利用她在東京大學和哈佛大學的研究經驗，創造一種新材料。她於2024年接受北卡羅來納州立大學的採訪時，回憶道，「最初，我的想法是（利用這筆資助）製造一種比鋁輕、比鋼強的全新材料，」最終用在航空航天、醫療、汽車和其他行業中。
經過5年的研究，拉比伊和同事終於取得重要的結果。他們發現，如果在汽車的保險杠後面放置兩塊他們開發的新材料，就算汽車以約每小時45公里的速度發生碰撞，乘客感受到的衝擊力也將與以每小時8公里的碰撞相當。這種新材料被拉比伊和同事稱作「複合金屬泡沫」（Composite Metal Foam，簡稱CMF），至今已被他們研究了20多年。
拉比伊團隊製造的複合金屬泡沫。圖片來源：Afsaneh Rabiei/北卡羅來納州立大學
抵禦子彈與衝擊
金屬泡沫是一種金屬多孔材料，有點像蓬鬆、多孔的金屬海綿。普通金屬泡沫有一個明顯的弱點，材料中孔洞尺寸和形狀不一致、不可控。拉比伊選擇使用標準尺寸的單元作為孔洞，並使用金屬基體支撐一個個孔，從而達到更好地吸收能量的作用。
具體來說，他們製造的其實是一種由中空金屬球（由不鏽鋼或鈦等材料製成）嵌入金屬基體（由鋼、鈦、鋁或其他金屬合金製成）的泡沫，因而叫做複合金屬泡沫。這種材料據稱「像鋼一樣堅固，像鋁一樣輕巧」。
在實驗室里，拉比伊和同事將一塊複合金屬泡沫和實心鋼分別砸向機器的基板。結果顯示，被金屬泡沫砸中的基板沒有凹陷，說明複合金屬泡沫能夠吸收能量並保護基板。相應的，被實心鋼砸中的基板有明顯的凹陷，表明鋼會把能量直接傳遞給基板，不提供任何保護。這項測試讓拉比伊想到，他們發明的複合金屬泡沫材料也許可以用在需要輕質、抗衝擊特性的結構中，比如飛機和船隻。
圖片截自北卡羅來納州立大學提供的視頻/Youtube
拉比伊帶領團隊製作了基體和球體均為鋼的複合金屬泡沫，並證明這種金屬泡沫能夠阻擋炸藥的轟擊。在實驗中，這種金屬泡沫抵擋住了以約1500米每秒的速度傳播的爆炸衝擊波和碎片，它們僅僅來自約45厘米外爆炸的彈藥。
他們還利用高速攝像，展示了他們製造的複合金屬泡沫能夠在總厚度小於2.54厘米的情況下，抵禦一枚7.62毫米口徑（尺寸為7.62×63毫米）的M2穿甲彈。該子彈按照美國國家司法研究院（National Institute of Justice，簡稱NIJ）的標準測試程序發射。結果僅在由複合金屬泡沫製成的複合裝甲背面留下一個小於8毫米的凹陷。作為參考，美國國家司法研究院的標準允許防彈衣或防彈盔甲的凹陷最多達44毫米。
後來，拉比伊他們也使用.50口徑（尺寸為12.7×99毫米）的普通彈和穿甲彈分別進行了測試。測試中，子彈初速為500米每秒至885米每秒。結果顯示，由陶瓷面板、鋼-鋼複合金屬泡沫和鋁製薄背板組成的硬質裝甲系統能夠吸收普通彈72%～75%的動能，以及穿甲彈68%～78%的動能。
換句話說，他們制得的複合金屬泡沫足夠堅固，能夠使一顆高速射來的穿甲彈變成粉末並能抵擋爆炸帶來的衝擊。再加上這種材料非常輕，因此在製造新型防彈衣和車輛裝甲方面具有顯著優勢。
多孔更堅固
除了用作防彈盔甲，鋼複合金屬泡沫還能用於飛機機翼。他們將鋼-鋼複合金屬泡沫浸入疏水性環氧樹脂中，並採用真空力將樹脂注入到中空金屬球和鋼基體中的其他孔隙中，使約88%的孔隙被環氧樹脂填充。
測試結果表明，注入樹脂的鋼複合金屬泡沫的接觸角比航空級鋁合金高130%。接觸角是衡量水在材料表面形成水珠程度的指標，接觸角越高，水越容易從表面流下。此外，在昆蟲附著力和噴砂磨損試驗中，注入樹脂的鋼複合金屬泡沫的表現都優於航空級鋁合金。目前，鋁合金是製造飛機機翼的首選材料。而拉比伊團隊的測試表明，注入樹脂的複合金屬泡沫為飛機機翼的材料選擇提供了新的、更優的替代方案，有望在航空航天領域得到應用，提升飛機的整體性能和經濟性。
材料科學家往往熱衷於追求高密度材料，認為材料越緻密，強度越大。然而，自然界卻傾向於選用多孔材料來製造大型生物的骨架，包括我們的骨骼，以及深海中的珊瑚等。
而拉比伊等關注金屬泡沫的材料學家或工程學家的研究也證明，一些特別製造的多孔材料反而比實體材料更堅固耐用。這意味著，人們在探索新材料時不妨模仿大自然，探索那些看似不完美、擁有許多孔隙的物質。
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