近日，加州理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新技術(shù)，使得人們可以首次使用3D打印技術(shù)來(lái)創(chuàng)建復(fù)雜的納米級(jí)金屬結(jié)構(gòu)。
這項(xiàng)技術(shù)一旦規(guī)模化，產(chǎn)業(yè)化，將可以用于各種各樣的產(chǎn)品制造中，無(wú)論是制造微小的醫(yī)療植入物、在計(jì)算機(jī)芯片上創(chuàng)建3-D邏輯電路，還是制造工程用超輕型飛機(jī)組件，它都可以做到。同時(shí)，基于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它也打開(kāi)了創(chuàng)建具有不同特性的新型材料的大門(mén)。該技術(shù)在Nature Communications發(fā)表的一篇研究報(bào)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(gè)結(jié)構(gòu)中每層有150納米厚，最終結(jié)構(gòu)高度為6微米。（圖片來(lái)自：Greer實(shí)驗(yàn)室）
在3D打印中（又稱(chēng)增材制造），物體是逐層構(gòu)建的，從而允許創(chuàng)建出蝕刻或銑削等傳統(tǒng)減成方法不能完成的結(jié)構(gòu)。加州理工學(xué)院材料科學(xué)家Julia Greer是利用增材制造建立超薄三維架構(gòu)的先驅(qū)，她和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)打印出了三維晶格，其尺寸達(dá)納米級(jí)，因太小肉眼無(wú)法看到。這類(lèi)材料通常表現(xiàn)出不同尋常的，令人驚訝的特性。Greer的團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)建出極其輕盈的陶瓷，像海綿一樣，壓縮后會(huì)回彈到原來(lái)的形狀。
Greer的研究小組已通過(guò)3D打印獲得了各種材料的結(jié)構(gòu)，從陶瓷到有機(jī)化合物。然而，對(duì)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(fā)絲直徑一半）的結(jié)構(gòu)時(shí)，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(gè)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(lái)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(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)部材料科學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程教授Greer說(shuō)：“金屬對(duì)光的反應(yīng)與我們用于制造納米級(jí)結(jié)構(gòu)的聚合物樹(shù)脂不同。當(dāng)光線與聚合物相互作用時(shí)會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使聚合物變硬，然后固化成特定的形狀。而在金屬中，這個(gè)過(guò)程根本不可能。”
Greer的研究生Andrey Vyatskikh提出了一個(gè)解決方案。他使用有機(jī)配體和能與金屬結(jié)合的分子創(chuàng)造出了一種主要含有聚合物的樹(shù)脂，但它可以攜帶可被印刷的金屬，像支架一樣。
圖2? 計(jì)算機(jī)建模顯示出一個(gè)小網(wǎng)格是如何被3D打印在150納米厚的層上的。當(dāng)結(jié)構(gòu)被加熱時(shí)，它可以收縮80％。（圖片來(lái)自：Greer實(shí)驗(yàn)室）
在Nature Communications發(fā)表的論文中，Vyatskikh將鎳和有機(jī)分子粘合在一起，形成了一種看起來(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)雙光子激光器切換液體來(lái)構(gòu)建它。激光能使有機(jī)分子之間產(chǎn)生更強(qiáng)的化學(xué)鍵，進(jìn)而將其硬化為設(shè)計(jì)好的構(gòu)件。由于這些分子也能與鎳原子結(jié)合，所以鎳會(huì)一同被結(jié)合到構(gòu)件中。通過(guò)這種方式，該團(tuán)隊(duì)能夠打印出三維結(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。
然后，Vyatskikh將構(gòu)件放入一個(gè)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(yuǎn)低于鎳的熔點(diǎn)（1455攝氏度或約2650華氏度），但足夠蒸發(fā)掉結(jié)構(gòu)中的有機(jī)材料，僅留下金屬。一種被稱(chēng)為熱解的加熱過(guò)程也能將金屬顆粒熔合在一起。
此外，由于該工藝蒸發(fā)了大量的結(jié)構(gòu)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(fā)表該篇論文的主要作者Vyatskikh說(shuō)道，“最后的收縮是我們?yōu)槭裁茨軌蜃尳Y(jié)構(gòu)變得如此之小的一個(gè)重要組成部分。在我們構(gòu)建的結(jié)構(gòu)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(yōu)化他們的技術(shù)。目前，論文中所報(bào)導(dǎo)的結(jié)構(gòu)還只是包含一些空隙和微小雜質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Greer說(shuō)，如果將該技術(shù)用于工業(yè)，它將被用來(lái)生產(chǎn)更多的材料。雖然他們從鎳開(kāi)始，但他們有興趣擴(kuò)展到工業(yè)中常用的其它金屬，但是對(duì)構(gòu)建小三維形狀還具有很大的挑戰(zhàn)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(lái)打印其它材料，包括陶瓷，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）。
原文來(lái)自nanowerk
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
