经过5年的研究，拉比伊和同事终于取得重要的结果。他们发现，如果在汽车的保险杠后面放置两块他们开发的新材料，就算汽车以约每小时45公里的速度发生碰撞，乘客感受到的冲击力也将与以每小时8公里的碰撞相当。这种新材料被拉比伊和同事称作“复合金属泡沫”（Composite Metal Foam，简称CMF），至今已被他们研究了20多年。
他们还利用高速摄像，展示了他们制造的复合金属泡沫能够在总厚度小于2.54厘米的情况下，抵御一枚7.62毫米口径（尺寸为7.62×63毫米）的M2穿甲弹。该子弹按照美国国家司法研究院（National Institute of Justice，简称NIJ）的标准测试程序发射。结果仅在由复合金属泡沫制成的复合装甲背面留下一个小于8毫米的凹陷。作为参考，美国国家司法研究院的标准允许防弹衣或防弹盔甲的凹陷最多达44毫米。
图片来源：北卡罗来纳州立大学/Youtube
这种多孔物质如何让一颗射来的穿甲弹消失……
阿夫萨内·拉比伊（Afsaneh Rabiei）永远都不会忘记参观工厂的那天。她在学校的组织下参观伊朗一家工厂，看到通红的钢铁在产线上滚动，然后被改变成任何形状。拉比伊现在是美国北卡罗来纳州立大学（NC State University）机械与航空航天工程系的教授，那是她爱上工程学的时刻。
初遇工程学的惊喜时刻激励拉比伊到伊朗德黑兰、日本东京以及美国马萨诸塞州等地学习材料科学与工程学，而这些经历也为她新材料的发明奠定了基础。从汽车保险杠到防弹装甲再到生物医学设备，各个领域都可能被这种突破性的材料彻底改变。
爱上工程的她
1978年，拉比伊进入伊朗谢里夫理工大学（Sharif University of Technology）学习材料科学与工程。这所学校被誉为伊朗的麻省理工学院，每年在伊朗全国只招收约700名学生。但不幸的是，那一年伊朗伊斯兰革命（又称1979年革命）开始了。
1977至1978年，伊朗民众发起了反对伊朗君主体制的大规模示威活动，到1978年年底，罢工及示威活动已然成为一场广泛的起义，使得伊朗整个国家陷入瘫痪，最终导致统治伊朗的最后一个王朝——巴列维王朝（Pahlavi dynasty）于1979年被推翻。受此影响，拉比伊直到1986年才完成本科学业。
Afsaneh Rabiei（图片来源：北卡罗来纳州立大学）
毕业后，拉比伊先在工业界度过一段时间，作为一名工程师积累了许多关于铸造、焊接和材料测试方面的经验。然后，她在20世纪90年代初重返学术界，并于1997年从日本东京大学获得先进材料博士学位，还在美国哈佛大学做了近3年的博士后研究。之后，她来到北卡罗来纳州立大学机械与航空航天工程系从助理教授开始做起。
由于拉比伊的博士研究涉及金属基复合材料，例如将碳纤维与铝结合来增加材料的硬度，后来在哈佛大学期间主要关注金属泡沫（metal foam），也就是将气体或发泡剂引入熔融金属中，制造出多孔且轻质的材料。
于是，在北卡罗来纳州立大学，拉比伊决定利用她在东京大学和哈佛大学的研究经验，创造一种新材料。她于2024年接受北卡罗来纳州立大学的采访时，回忆道，“最初，我的想法是（利用这笔资助）制造一种比铝轻、比钢强的全新材料，”最终用在航空航天、医疗、汽车和其他行业中。
经过5年的研究，拉比伊和同事终于取得重要的结果。他们发现，如果在汽车的保险杠后面放置两块他们开发的新材料，就算汽车以约每小时45公里的速度发生碰撞，乘客感受到的冲击力也将与以每小时8公里的碰撞相当。这种新材料被拉比伊和同事称作“复合金属泡沫”（Composite Metal Foam，简称CMF），至今已被他们研究了20多年。
拉比伊团队制造的复合金属泡沫。图片来源：Afsaneh Rabiei/北卡罗来纳州立大学
抵御子弹与冲击
金属泡沫是一种金属多孔材料，有点像蓬松、多孔的金属海绵。普通金属泡沫有一个明显的弱点，材料中孔洞尺寸和形状不一致、不可控。拉比伊选择使用标准尺寸的单元作为孔洞，并使用金属基体支撑一个个孔，从而达到更好地吸收能量的作用。
具体来说，他们制造的其实是一种由中空金属球（由不锈钢或钛等材料制成）嵌入金属基体（由钢、钛、铝或其他金属合金制成）的泡沫，因而叫做复合金属泡沫。这种材料据称“像钢一样坚固，像铝一样轻巧”。
在实验室里，拉比伊和同事将一块复合金属泡沫和实心钢分别砸向机器的基板。结果显示，被金属泡沫砸中的基板没有凹陷，说明复合金属泡沫能够吸收能量并保护基板。相应的，被实心钢砸中的基板有明显的凹陷，表明钢会把能量直接传递给基板，不提供任何保护。这项测试让拉比伊想到，他们发明的复合金属泡沫材料也许可以用在需要轻质、抗冲击特性的结构中，比如飞机和船只。
图片截自北卡罗来纳州立大学提供的视频/Youtube
拉比伊带领团队制作了基体和球体均为钢的复合金属泡沫，并证明这种金属泡沫能够阻挡炸药的轰击。在实验中，这种金属泡沫抵挡住了以约1500米每秒的速度传播的爆炸冲击波和碎片，它们仅仅来自约45厘米外爆炸的弹药。
他们还利用高速摄像，展示了他们制造的复合金属泡沫能够在总厚度小于2.54厘米的情况下，抵御一枚7.62毫米口径（尺寸为7.62×63毫米）的M2穿甲弹。该子弹按照美国国家司法研究院（National Institute of Justice，简称NIJ）的标准测试程序发射。结果仅在由复合金属泡沫制成的复合装甲背面留下一个小于8毫米的凹陷。作为参考，美国国家司法研究院的标准允许防弹衣或防弹盔甲的凹陷最多达44毫米。
后来，拉比伊他们也使用.50口径（尺寸为12.7×99毫米）的普通弹和穿甲弹分别进行了测试。测试中，子弹初速为500米每秒至885米每秒。结果显示，由陶瓷面板、钢-钢复合金属泡沫和铝制薄背板组成的硬质装甲系统能够吸收普通弹72%～75%的动能，以及穿甲弹68%～78%的动能。
换句话说，他们制得的复合金属泡沫足够坚固，能够使一颗高速射来的穿甲弹变成粉末并能抵挡爆炸带来的冲击。再加上这种材料非常轻，因此在制造新型防弹衣和车辆装甲方面具有显著优势。
拉比伊团队制造的复合金属泡沫非常坚硬，能够承受.50口径的子弹。视频来源：北卡罗来纳州立大学/Youtube
多孔更坚固
除了用作防弹盔甲，钢复合金属泡沫还能用于飞机机翼。他们将钢-钢复合金属泡沫浸入疏水性环氧树脂中，并采用真空力将树脂注入到中空金属球和钢基体中的其他孔隙中，使约88%的孔隙被环氧树脂填充。
测试结果表明，注入树脂的钢复合金属泡沫的接触角比航空级铝合金高130%。接触角是衡量水在材料表面形成水珠程度的指标，接触角越高，水越容易从表面流下。此外，在昆虫附着力和喷砂磨损试验中，注入树脂的钢复合金属泡沫的表现都优于航空级铝合金。目前，铝合金是制造飞机机翼的首选材料。而拉比伊团队的测试表明，注入树脂的复合金属泡沫为飞机机翼的材料选择提供了新的、更优的替代方案，有望在航空航天领域得到应用，提升飞机的整体性能和经济性。
材料科学家往往热衷于追求高密度材料，认为材料越致密，强度越大。然而，自然界却倾向于选用多孔材料来制造大型生物的骨架，包括我们的骨骼，以及深海中的珊瑚等。
而拉比伊等关注金属泡沫的材料学家或工程学家的研究也证明，一些特别制造的多孔材料反而比实体材料更坚固耐用。这意味着，人们在探索新材料时不妨模仿大自然，探索那些看似不完美、拥有许多孔隙的物质。