近日，加州理工學院開發了一項新技術，使得人們可以首次使用3D打印技術來創建復雜的納米級金屬結構。
這項技術一旦規模化，產業化，將可以用于各種各樣的產品制造中，無論是制造微小的醫療植入物、在計算機芯片上創建3-D邏輯電路，還是制造工程用超輕型飛機組件，它都可以做到。同時，基于材料的內部結構，它也打開了創建具有不同特性的新型材料的大門。該技術在Nature Communications發表的一篇研究報告中被描述（“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”）。
圖1? 3D打印的鎳立方格子。整個結構中每層有150納米厚，最終結構高度為6微米。（圖片來自：Greer實驗室）
在3D打印中（又稱增材制造），物體是逐層構建的，從而允許創建出蝕刻或銑削等傳統減成方法不能完成的結構。加州理工學院材料科學家Julia Greer是利用增材制造建立超薄三維架構的先驅，她和她的團隊已經打印出了三維晶格，其尺寸達納米級，因太小肉眼無法看到。這類材料通常表現出不同尋常的，令人驚訝的特性。Greer的團隊還創建出極其輕盈的陶瓷，像海綿一樣，壓縮后會回彈到原來的形狀。
Greer的研究小組已通過3D打印獲得了各種材料的結構，從陶瓷到有機化合物。然而，對金屬材料而言，卻很難打印，尤其是試圖打印出尺寸小于約50微米（大約人頭發絲直徑一半）的結構時，將十分困難。
3D打印在納米尺度下的工作方式是，采用高精度激光，用兩個光子或光粒子將液體置于材料的特定位置。這種方式提供了足夠的能量來將液體聚合物固化成固體，但還不足以熔化金屬。
加州理工學院工程與應用科學部材料科學、力學和醫學工程教授Greer說：“金屬對光的反應與我們用于制造納米級結構的聚合物樹脂不同。當光線與聚合物相互作用時會發生化學反應，使聚合物變硬，然后固化成特定的形狀。而在金屬中，這個過程根本不可能。”
Greer的研究生Andrey Vyatskikh提出了一個解決方案。他使用有機配體和能與金屬結合的分子創造出了一種主要含有聚合物的樹脂，但它可以攜帶可被印刷的金屬，像支架一樣。
圖2? 計算機建模顯示出一個小網格是如何被3D打印在150納米厚的層上的。當結構被加熱時，它可以收縮80％。（圖片來自：Greer實驗室）
在Nature Communications發表的論文中，Vyatskikh將鎳和有機分子粘合在一起，形成了一種看起來很像咳嗽糖漿的液體。他們使用計算機軟件設計了一個結構，然后通過雙光子激光器切換液體來構建它。激光能使有機分子之間產生更強的化學鍵，進而將其硬化為設計好的構件。由于這些分子也能與鎳原子結合，所以鎳會一同被結合到構件中。通過這種方式，該團隊能夠打印出三維結構，該結構最初是金屬離子和非金屬有機分子的混合物。
然后，Vyatskikh將構件放入一個烤箱，在真空室中將其緩慢加熱到1000攝氏度（約1800華氏度）。該溫度遠低于鎳的熔點（1455攝氏度或約2650華氏度），但足夠蒸發掉結構中的有機材料，僅留下金屬。一種被稱為熱解的加熱過程也能將金屬顆粒熔合在一起。
此外，由于該工藝蒸發了大量的結構材料，使其尺寸縮小了80％，但仍能保持其形狀和比例。
在Nature Communications上發表該篇論文的主要作者Vyatskikh說道，“最后的收縮是我們為什么能夠讓結構變得如此之小的一個重要組成部分。在我們構建的結構中，印刷部件中金屬梁的直徑大約是縫紉針尖端尺寸的1/1000。”
Greer和Vyatskikh仍在優化他們的技術。目前，論文中所報導的結構還只是包含一些空隙和微小雜質的結構。Greer說，如果將該技術用于工業，它將被用來生產更多的材料。雖然他們從鎳開始，但他們有興趣擴展到工業中常用的其它金屬，但是對構建小三維形狀還具有很大的挑戰性甚至是不太可能，例如鎢和鈦。 Greer和Vyatskikh也希望使用這種工藝來打印其它材料，包括陶瓷，半導體和壓電材料（具有機械應力導致電氣效應的材料）。
原文來自nanowerk
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