華人科學(xué)家3D打印出世界上最小的加熱爐

美國(guó)馬里蘭大學(xué)胡良兵課題組最近發(fā)明了世界上首個(gè)可3D打印的微米級(jí)加熱爐，這是迄今已知最小的加熱爐，其優(yōu)異的性能為微納米級(jí)的精確加熱提供了可能，將有助于推動(dòng)熱學(xué)相關(guān)的微納米科學(xué)研究和工程應(yīng)用。

這項(xiàng)成果近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》雜志上。這種加熱爐溫度可以達(dá)到2700攝氏度以上，升降溫速率更是可達(dá)20000攝氏度每秒。相比之下，常規(guī)的加熱爐通常最高溫度不到1500攝氏度，且升降溫速率一般低于100攝氏度每分鐘。另外，爐子的龐大腔體使其無(wú)法進(jìn)行精細(xì)的微納米級(jí)加熱。

激光加熱是一種新型的加熱技術(shù)，可以針對(duì)特定微米級(jí)區(qū)域進(jìn)行加熱，但是激光設(shè)備極其昂貴，且激光加熱只對(duì)吸收激光的材料有效，也只能對(duì)表面進(jìn)行加熱，導(dǎo)致材料加熱時(shí)溫度不均情況嚴(yán)重。

胡良兵課題組利用3D打印機(jī)的三維精確、快速成型能力，設(shè)計(jì)并制備出微米級(jí)加熱爐，其特征尺寸在200微米以下，近似頭發(fā)絲，并有望持續(xù)降低。打印墨水是高濃度氧化石墨烯的水溶液，相比于其他3D打印墨水，氧化石墨烯安全穩(wěn)定，制備簡(jiǎn)單便宜，同時(shí)水溶劑不會(huì)造成環(huán)境污染，很適合于規(guī)模化生產(chǎn)。

工作時(shí)，通過(guò)輸入不同功率的電信號(hào)，利用焦耳熱可實(shí)現(xiàn)對(duì)這種微米級(jí)加熱爐溫度的精細(xì)調(diào)控。氧化石墨烯加熱后轉(zhuǎn)化成類(lèi)似石墨烯的結(jié)構(gòu)，其碳－碳共價(jià)鍵確保了熱力學(xué)穩(wěn)定性，因此能輕松升溫到2700攝氏度以上。微型化的爐子能夠快速集聚熱量，使得超快速加熱成為可能，整個(gè)升溫過(guò)程可以在100毫秒內(nèi)完成。

論文第一作者、馬里蘭大學(xué)在讀博士生姚永剛說(shuō)，利用3D打印技術(shù)制備的微米級(jí)加熱爐，其性能優(yōu)異，成型快速，而且制備價(jià)格低廉，為微納米科學(xué)和工程研究提供了一種極具優(yōu)勢(shì)的加熱手段，為促進(jìn)新的微納米級(jí)材料性能尤其是熱學(xué)相關(guān)性能的研究提供了可能。

微納米級(jí)科技是現(xiàn)代科學(xué)研究的前沿及熱點(diǎn)。但研究微納米級(jí)材料的物理性能和化學(xué)反應(yīng)，尤其是溫度相關(guān)的材料表征和制備，必須首先開(kāi)發(fā)合適于微納米級(jí)加熱的裝置，要求其能對(duì)于特定微納米級(jí)區(qū)域進(jìn)行加熱，同時(shí)其加熱溫度范圍和加熱速率也需要可精細(xì)調(diào)控。

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《中國(guó)留學(xué)生3D打印科研工作獲NASA“外太空移民計(jì)劃”挑戰(zhàn)頭獎(jiǎng)》

來(lái)源：新華網(wǎng)