顛覆"熱脹冷縮"，MIT方絢萊3D打印出受熱收縮的超材料

2018年2月25日，南極熊獲悉，2016年《PHYSICAL REVIEW LETTERS》雜志發(fā)表了一篇MIT的研究論文，介紹了一種3D打印的超材料結(jié)構(gòu)，在加熱溫度升高的情況下出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象完全違背了我們的常識——“熱脹冷縮”。如今這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)由深圳摩方材料產(chǎn)業(yè)化。

科技日報(bào)曾對此做過報(bào)道，該研究由美國勞倫斯利物莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、麻省理工學(xué)院（MIT）、南加州大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校科學(xué)家合作，首次3D打印出受熱收縮的全新超材料。這個(gè)新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復(fù)之前體積，能反復(fù)使用，適用于制作溫度變化較大環(huán)境中所需要的精密操作部件，如微芯片和高精光學(xué)儀器等。

傳統(tǒng)大體積材料的熱力學(xué)特性都表現(xiàn)為受熱膨脹、遇冷收縮，而這次獲得的超材料完全相反，它在受熱時(shí)會收縮。該材料是用聚酯和另一種摻雜銅的聚酯打印出來的微晶格結(jié)構(gòu)，包含橫梁和空心點(diǎn)陣兩個(gè)部分，因不同材料受熱時(shí)相對位移不同，使得連接點(diǎn)處向內(nèi)拉伸，帶動(dòng)整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉伸，從而表現(xiàn)出獨(dú)有的熱收縮特性。

MIT力學(xué)工程教授方絢萊帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該研究的3D打印部分的工作。方絢萊在接受科技日報(bào)記者郵件采訪中表示，他們采用的是顯微立體光刻3D打印技術(shù)，類似噴墨打印機(jī)和數(shù)字曝光機(jī)的結(jié)合。先將不同材料的液滴噴在一個(gè)透明窗口上，再通過數(shù)字投影機(jī)把圖案分別投射在需要固化的液滴背面。被光照過的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu)，附著在一個(gè)樣品支架上，窗口上沒有曝光的液滴則被清除。如此反復(fù)，可以得到所需的復(fù)合材料。

方絢萊介紹，從每個(gè)單元來看，新結(jié)構(gòu)類似斜拉橋的設(shè)計(jì)，只是伸縮性好的鋼筋換成了相對柔軟的樹脂，剛度大的橫梁變成了摻銅納米顆粒的樹脂。受熱時(shí)柔軟的樹脂先伸長，直到加固的橫梁也被拉動(dòng)而相對錨定的位置轉(zhuǎn)動(dòng)�？傮w上看，整個(gè)空心的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)收縮。

這個(gè)新型結(jié)構(gòu)適用于制作溫度變化較大環(huán)境中的精密部件，如避免熱脹冷縮造成焦距漂移的光學(xué)鏡頭；長時(shí)間使用發(fā)熱但不會影響穩(wěn)定性的微型芯片；提高太陽能利用效率的器件；遇高溫食物能與真牙完美匹配的牙科填充物；甚至穿越太陽強(qiáng)熱照射的人造衛(wèi)星等。

如今，南極熊了解到，MIT方絢萊教授的技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)由深圳摩方材料產(chǎn)業(yè)化，摩方材料自主研發(fā)的nanoArch 3D打印機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)超高精度的3D打印，下圖中的微彈簧可以說明該項(xiàng)3D打印技術(shù)的工藝水平，這樣的精度和結(jié)構(gòu)可以用于傳感器的生產(chǎn)。

來源：科技日報(bào)
編輯：南極熊