由于加州理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的新技術(shù)，有史以來(lái)第一次可以使用3D打印創(chuàng)建復(fù)雜的納米級(jí)金屬結(jié)構(gòu)。
該工藝一旦擴(kuò)大規(guī)模，就可用于各種應(yīng)用，從構(gòu)建微型醫(yī)療植入物到在計(jì)算機(jī)芯片上創(chuàng)建三維邏輯電路，再到工程超輕型飛機(jī)部件。它還為創(chuàng)造一類具有基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不尋常特性的新材料打開(kāi)了大門。
在3D打印(也稱為增材制造)中，逐層構(gòu)建物體，允許通過(guò)諸如蝕刻或銑削的常規(guī)減成方法來(lái)創(chuàng)建不可能制造的結(jié)構(gòu)。加州理工學(xué)院材料科學(xué)家Julia Greer是通過(guò)增材制造建立超靈敏3D架構(gòu)的先驅(qū)。例如，她和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建造了三維格子，其光束只有幾納米寬 - 太小而不能用肉眼看到。這些材料具有不尋常的，通常令人驚訝的特性 Greer的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了極其輕質(zhì)的陶瓷，在壓縮后恢復(fù)到原來(lái)的形狀，海綿狀。
Greer的3-D組打印出各種材料的結(jié)構(gòu)，從陶瓷到有機(jī)化合物。然而，金屬難以印刷，特別是當(dāng)試圖制造尺寸小于約50微米或約為人類頭發(fā)寬度一半的結(jié)構(gòu)時(shí)。
三維印刷在納米尺度下工作的方式是高精度激光器僅用兩個(gè)光子或光粒子將液體在材料的特定位置上拉開(kāi)。這提供了足夠的能量來(lái)將液態(tài)聚合物硬化成固體，但不足以熔化金屬。
“金屬對(duì)光的反應(yīng)與我們用于制造納米尺度結(jié)構(gòu)的聚合物樹(shù)脂一樣，”加州理工學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)系材料科學(xué)，機(jī)械和醫(yī)學(xué)工程教授格里爾說(shuō)?！爱?dāng)光與聚合物相互作用使其硬化然后形成特定的形狀時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在金屬中，這個(gè)過(guò)程根本不可能?！?/span>
格里爾的研究生Andrey Vyatskikh想出了一個(gè)解決方案。他使用有機(jī)配體 - 與金屬結(jié)合的分子 - 來(lái)制造一種主要含有聚合物的樹(shù)脂，但它帶有可以印刷的金屬，就像腳手架一樣。
在Nature Communications論文中描述的實(shí)驗(yàn)中，Vyatskikh將鎳和有機(jī)分子結(jié)合在一起，形成一種看起來(lái)很像咳嗽糖漿的液體。他們使用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)用雙光子激光器切換液體來(lái)構(gòu)建它。激光在有機(jī)分子之間產(chǎn)生更強(qiáng)的化學(xué)鍵，使它們硬化成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。由于這些分子也與鎳原子鍵合，因此鎳結(jié)合到結(jié)構(gòu)中。通過(guò)這種方式，該團(tuán)隊(duì)能夠打印出一種三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最初是金屬離子和非金屬有機(jī)分子的混合物。
Vyatskikh然后將結(jié)構(gòu)放入烤箱中，在真空室中將其緩慢加熱至1000攝氏度(約1800華氏度)。該溫度遠(yuǎn)低于鎳的熔點(diǎn)(1,455攝氏度，或約2,650華氏度)，但足夠熱以蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中的有機(jī)材料，僅留下金屬。被稱為熱解的加熱過(guò)程也將金屬顆粒熔合在一起。
此外，由于該工藝蒸發(fā)了大量結(jié)構(gòu)材料，其尺寸縮小了80%，但仍保持其形狀和比例。
“最終的縮水是我們能夠讓結(jié)構(gòu)變得如此之小的重要原因，”自然通訊報(bào)的第一作者Vyatskikh說(shuō)?！霸谖覀?yōu)榧垙埥ㄔ斓慕Y(jié)構(gòu)中，印刷部分的金屬梁直徑大約是縫紉針尖端尺寸的1/1000。”
Greer和Vyatskikh仍然在改進(jìn)他們的技術(shù); 目前，他們的論文中報(bào)道的結(jié)構(gòu)包括蒸發(fā)的有機(jī)材料留下的一些空隙以及一些微量雜質(zhì)。此外，如果該技術(shù)可用于工業(yè)，則需要按比例放大以生產(chǎn)更多材料，Greer說(shuō)。雖然他們從鎳開(kāi)始，但他們有興趣擴(kuò)展到工業(yè)中常用的其他金屬，但是很難或不可能用小的三維形狀制造，如鎢和鈦。Greer和Vyatskikh也希望利用這種工藝對(duì)三維印刷其他材料，包括普通材料和外來(lái)材料，如陶瓷，半導(dǎo)體和壓電材料(具有機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致電氣效應(yīng)的材料)。
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