納米級金屬3D打印技術(shù)帶來驚人好處，像病毒一樣小卻超級堅固

導(dǎo)讀：去年年底，加州理工學(xué)院的研究人員宣布成功開發(fā)了一項新的制造技術(shù)，用于打印微型金屬零件，它的厚度僅相當(dāng)于三到四張紙。現(xiàn)在，該團隊再次創(chuàng)新了這一技術(shù)，能夠打印出尺寸小至150納米的物體，與流感病毒的大小相媲美。在此過程中，該團隊還發(fā)現(xiàn)，這些微小物體內(nèi)部的原子排列呈無序狀態(tài)，與傳統(tǒng)認(rèn)知相反，這種原子級混亂實際上提升了這些材料的質(zhì)量，使其強度可能比具有更有序原子排列的類似尺寸結(jié)構(gòu)高出三到五倍。

2023年11月6日，南極熊獲悉，這項研究是由加州理工學(xué)院的材料科學(xué)、力學(xué)和醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的專家，弗萊徹瓊斯基金會卡維理納米科學(xué)研究所所長Julia R. Greer教授的實驗室開展的。有關(guān)這一發(fā)現(xiàn)的詳細(xì)信息已刊登在《納米快報》雜志上的一篇論文中。

△論文題目為“通過納米級增材制造抑制具有分層微觀結(jié)構(gòu)的納米柱的尺寸效應(yīng)”（傳送門）

這項新技術(shù)與該團隊去年宣布的另一項技術(shù)類似，但每一個步驟都經(jīng)過重新設(shè)計，以適應(yīng)納米尺度。然而，這也帶來了一個額外的挑戰(zhàn)：制造出來的物體微小到肉眼不可見，也難以操控。

該過程首先涉及準(zhǔn)備一種光敏的“混合物”，這個混合物主要由水凝膠組成，水凝膠是一種可以吸收其自身重量數(shù)倍的聚合物。然后，使用激光來有選擇地硬化這種混合物，以建立出與所需金屬物體相同形狀的3D支架。在這項研究中，這些物體是一系列微小的柱子和納米晶格。

△使用Julia R. Greer實驗室開發(fā)的新技術(shù)制備的納米級晶格

接下來，將水凝膠部分注入含有鎳離子的水溶液。一旦這些部件被金屬離子飽和，它們將被烘烤，直到所有的水凝膠都被燃盡，留下的零件與最初的形狀相同，盡管它們已經(jīng)收縮，并且完全由現(xiàn)在被氧化的金屬離子組成，與氧原子結(jié)合。在最后一步中，氧原子從零件中被化學(xué)剝離，將金屬氧化物轉(zhuǎn)化回金屬形式。

最后一步中的零件展現(xiàn)出了出乎意料的強度。

△納米級鎳柱的不規(guī)則內(nèi)部結(jié)構(gòu)

不尋常的微觀結(jié)構(gòu)

Greer表示：“在這個過程中，所有這些熱過程和動力學(xué)過程同時發(fā)生，它們導(dǎo)致了非常非�；靵y的微觀結(jié)構(gòu)。你會看到原子結(jié)構(gòu)中的孔隙和不規(guī)則性等缺陷，這些缺陷通常被認(rèn)為是強度惡化的因素。如果你要用鋼建造一些東西，比如發(fā)動機缸體，你不會想看到這種類型的微觀結(jié)構(gòu)，因為它會顯著削弱材料的強度。”

然而，Greer說他們的發(fā)現(xiàn)卻正好相反。許多缺陷會在更大范圍內(nèi)削弱金屬部件，但對于納米級部件來說，它們會產(chǎn)生強化效果。

當(dāng)支柱沒有缺陷時，在所謂的晶界（構(gòu)成材料的微觀晶體相互碰撞的地方）發(fā)生災(zāi)難性的故障。

但當(dāng)材料充滿缺陷時，失效就很難從一個晶界傳播到下一個晶界。這意味著材料不會突然失效，因為變形在整個材料中分布得更加均勻。

△機械工程研究生張文欣在納米制造實驗室工作

3D打印已進入納米領(lǐng)域

該研究的主要作者、機械工程研究生張文欣說解釋說：“通常情況下，金屬納米柱中的變形載流子，即位錯或滑移，會一直傳播，直到它能夠從外表面逃逸。但在存在內(nèi)部孔隙的情況下，傳播將很快在孔隙表面終止，而不是一直持續(xù)到整個柱子。根據(jù)經(jīng)驗，使變形載體成核比讓它傳播更難，解釋了為什么目前的支柱可能比其對應(yīng)的支柱更強大�！�

Greer認(rèn)為，這是納米級金屬結(jié)構(gòu)3D打印的首次演示之一。她指出，該過程可用于制造許多有用的成分，例如氫氣催化劑；無碳氨和其他化學(xué)品的存儲電極；以及傳感器、微型機器人和熱交換器等設(shè)備的重要部件。

她說：“我們最初非常擔(dān)心。我們想，天哪，這種微觀結(jié)構(gòu)永遠(yuǎn)不會帶來任何好處。但顯然，我們沒有理由擔(dān)心，因為事實證明它甚至不是一種損害。它實際上是一種功能。”

總的來說，這個過程需要多個復(fù)雜的步驟和特定的工藝，以制備納米級材料，這是一項高度專業(yè)化的工作，目前不能在普通3D打印機上實現(xiàn)，但未來的潛在前景巨大。