美國研究人員開發(fā)出“3D生長”增材制造技術(shù)

來源：賢集網(wǎng)

據(jù)南極熊了解，美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校研究人員開發(fā)出“3D生長”增材制造技術(shù)，可控制晶體材料結(jié)晶形成所需結(jié)構(gòu)。研究人員開發(fā)出一種名為3D聚合物接枝納米粒子（PGNP）晶體的納米顆粒復(fù)合材料。通過控制聚合物在溶液中的沉積過程，研究人員能夠控制3D PGNP晶體的大小和形狀，實(shí)現(xiàn)了從單粒子水平上控制晶體結(jié)構(gòu)。待溶液完成蒸發(fā)，材料完成初步成型。該研究有望在納米級（十億分之一米）微調(diào)電子和光學(xué)設(shè)備的制造方面獲得前所未有的精度。

能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種納米粒子復(fù)合材料，可以生長成三維晶體�？茖W(xué)家們說，這種新材料--他們在最近發(fā)表的《自然通訊》研究中稱之為3D PGNP（聚合物接枝納米粒子）晶體--可能會帶來3D生長而非3D打印的新技術(shù)。

該研究的資深作者Ting Xu說：“我們已經(jīng)展示了一個新的杠桿，可以說是將晶體材料生長為復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)材料，應(yīng)用范圍從智能建筑的納米級光子學(xué)到機(jī)器人的執(zhí)行器�！盭u是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級科學(xué)家，也是加州大學(xué)伯克利分�；瘜W(xué)和材料科學(xué)與工程系的教授。

徐說，他們的新方法符合大規(guī)模制造的要求。"許多聰明人已經(jīng)設(shè)計(jì)了優(yōu)雅的化學(xué)制品，如DNA和超分子，以使納米粒子結(jié)晶。我們的系統(tǒng)本質(zhì)上是納米粒子和聚合物的混合體--它們類似于人們用來制造飛機(jī)機(jī)翼或汽車保險杠的成分。但更有趣的是，我們沒有想到我們的方法會如此簡單，如此快速，"徐說。

一個偶然的發(fā)現(xiàn)
主要作者錢怡文是加州大學(xué)伯克利分校徐氏小組的博士生研究員，在一次普通的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了3D PGNP納米晶體。

幾天前，她把甲苯溶劑和與聚苯乙烯接枝的金納米粒子（Au-PS）的溶液放在實(shí)驗(yàn)室柜臺上的離心管中。當(dāng)她在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察該樣品時，她注意到了一些奇怪的東西，納米顆粒迅速結(jié)晶了。她說：“這不是一個正常的預(yù)期�！�

為了進(jìn)行研究，徐與伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的科學(xué)家Peter Ercius以及伯明翰大學(xué)的Wolfgang Theis和Alessandra DaSilva合作，他們都因其在STEM（掃描透射電子顯微鏡）斷層掃描方面的專業(yè)知識而廣受贊譽(yù)，這是一種電子顯微鏡技術(shù)，利用高度集中的電子束來高分辨率地重建材料的三維結(jié)構(gòu)圖像。

研究人員使用分子鑄造廠的顯微鏡，一個世界領(lǐng)先的STEM斷層掃描用戶設(shè)施，首先捕捉到了Au-PS納米顆粒的晶體三維模式。

為了尋找更多的線索，徐和錢隨后在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了核磁共振光譜實(shí)驗(yàn)，他們在那里發(fā)現(xiàn)，來自離心機(jī)管內(nèi)壁的極微量的聚烯烴分子以某種方式進(jìn)入了混合物。聚烯烴，包括聚乙烯和聚丙烯，是世界上最普遍的一些塑料。

Qian重復(fù)了這個實(shí)驗(yàn)，在Au-PS溶液中加入了更多的聚烯烴--這一次，他們在幾分鐘內(nèi)得到了更大的三維PGNP晶體。

Xu很驚訝。她回憶說："我想，'這不應(yīng)該發(fā)生得這么快'。納米顆粒的晶體在實(shí)驗(yàn)室里通常需要幾天的時間來生長。"

工業(yè)的福音：在納米級上生長材料
隨后的實(shí)驗(yàn)顯示，由于甲苯溶劑在室溫下迅速蒸發(fā)，聚烯烴添加劑幫助Au-PS納米粒子形成三維PGNP晶體，并成長為它們最喜歡的晶體結(jié)構(gòu)。在另一個關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一個自組裝的100-200納米的晶體盤，看起來像一個金字塔的底座。從這一在納米級掌握物質(zhì)的驚人展示中，研究人員了解到，三維PGNP晶體的大小和形狀是由聚烯烴在溶液中沉淀時的動能驅(qū)動的。

總的來說，這些發(fā)現(xiàn) "提供了一個模型，表明你如何能夠在單粒子水平上控制晶體結(jié)構(gòu)。"徐說，并補(bǔ)充說他們的發(fā)現(xiàn)是令人興奮的，因?yàn)樗�提供了對晶體在成核早期階段如何形成的新見解。

Ercius說："而這是具有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)楹茈y讓原子彼此相鄰。"

徐說，這種新方法可以讓研究人員在納米級（十億分之一米）的電子和光學(xué)設(shè)備的微調(diào)中獲得前所未有的控制。她補(bǔ)充說，這種納米級的精度可以加快生產(chǎn)速度，消除制造中的錯誤。

展望未來，Qian希望利用他們的新技術(shù)來探測不同晶體結(jié)構(gòu)的韌性--甚至可能制造出六角形晶體。徐計(jì)劃使用他們的技術(shù)來生長更大的設(shè)備，如晶體管，或者也許用混合材料3D打印納米粒子。

"你能用不同的形態(tài)做什么？我們已經(jīng)表明，有可能從一種礦物和一種聚合物中生成一種單組分的復(fù)合材料。這真的很令人興奮。有時你只需要在正確的時間出現(xiàn)在正確的地點(diǎn)。"徐說。

這篇論文的共同作者包括英國伯明翰大學(xué)的Alessandra da Silva和Wolfgang Theis；加州大學(xué)伯克利分校Xu小組的一名本科生研究員Emmy Yu；以及伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的Christopher L. Anderson和Yi Liu。