新型納米級3D打印材料可以為衛(wèi)星、無人機和微電子提供更好的結構保護

來源：長三角G60激光聯(lián)盟


科幻小說設想了快速的3D打印過程，可以從任意數(shù)量的材料中快速創(chuàng)建新對象。但實際上，3D打印在可用的材料的屬性和類型方面仍然受到限制，尤其是在以非常小的規(guī)模打印時。

斯坦福大學的研究人員開發(fā)了一種用于納米級打印的新材料，并用它來打印既堅固又輕的微小晶格。這種結構人類頭發(fā)寬度的一小半。發(fā)表在《Sciende》雜志上的一篇論文中，研究人員證明，這種新材料能夠吸收的能量是其他密度相當?shù)?D打印材料的兩倍。在未來，他們的發(fā)明可用于為易碎的衛(wèi)星、無人機和微電子產(chǎn)品提供更好的輕量化保護。

論文作者，機械工程助理教授Wendy Gu解釋道：“現(xiàn)在人們對設計不同類型的3D結構以獲得機械性能很感興趣，我們在此基礎上所做的是開發(fā)一種真正擅長抵抗力的材料，因此它不僅是3D結構，而且是提供非常好保護的材料�！�

引入金屬納米簇
為了設計一種更好的3D打印材料，GU和她的同事將金屬納米團和微小的原子團結合到他們的打印介質(zhì)中。研究人員正在使用一種稱為雙光子光刻的方法進行印刷，其中印刷材料通過激光引發(fā)的化學反應硬化。他們發(fā)現(xiàn)，他們的納米簇非常善于啟動這一反應，并產(chǎn)生了一種由聚合物打印介質(zhì)和金屬組成的復合材料。

使用納米級3D打印制作的小巧但堅固的斯坦福標志。來源：John Kulikowski

研究人員能夠?qū)⒔饘偌{米簇與丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂和蛋白質(zhì)結合起來，這是3D打印中常用的幾種聚合物。此外，納米簇有助于加快打印過程。例如，通過將納米簇與蛋白質(zhì)結合，能夠以每秒100毫米的速度進行打印，這比以前在納米級蛋白質(zhì)打印中實現(xiàn)的速度快100倍。

研究人員用幾種不同的晶格結構測試了他們的新材料，其中一些優(yōu)先考慮了承受重負荷的能力，另一些則優(yōu)先考慮了吸收沖擊的能力。使用納米簇聚合物復合材料，所有結構都表現(xiàn)出了驚人的能量吸收、強度和可恢復性的組合——基本上是擠壓和回彈的能力。

“晶格結構當然很重要，但我們在這里展示的是，如果它所用的材料是優(yōu)化的，這對性能更重要�！盙U說，“如果你有合適的打印材料，你就不必擔心3D結構到底是什么�！�

納米團簇光刻膠的光化學和可打印性。

復制自然世界

在某些方面，研究人員試圖模仿大自然已經(jīng)完美的東西。例如，骨骼的彈性來自堅硬的外表、納米級的孔隙率和少量的軟質(zhì)材料。這種3D結構和多種精心設計的材料的結合，使我們的骨骼能夠在不斷裂的情況下（大部分時間）傳遞能量，并且仍然保持相對輕量化。理想情況下，3D打印保護結構內(nèi)也會有多種類型的材料，有些更硬，有些更軟，以更好地分散沖擊并抵抗擠壓。

“由于納米簇能夠聚合這些不同種類的化學物質(zhì)，我們可能能夠用它們在一個結構中打印多種材料。”GU說，“這是我們希望實現(xiàn)的目標之一�！�

機械性能比較。

來源：Mechanical nanolattices printed using nanocluster-based photoresists, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abo6997