由于加州理工學(xué)院開發(fā)的新技術(shù)，有史以來第一次可以使用3D打印創(chuàng)建復(fù)雜的納米級金屬結(jié)構(gòu)。
該工藝一旦擴大規(guī)模，就可用于各種應(yīng)用，從構(gòu)建微型醫(yī)療植入物到在計算機芯片上創(chuàng)建三維邏輯電路，再到工程超輕型飛機部件。它還為創(chuàng)造一類具有基于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不尋常特性的新材料打開了大門。
在3D打印(也稱為增材制造)中，逐層構(gòu)建物體，允許通過諸如蝕刻或銑削的常規(guī)減成方法來創(chuàng)建不可能制造的結(jié)構(gòu)。加州理工學(xué)院材料科學(xué)家Julia Greer是通過增材制造建立超靈敏3D架構(gòu)的先驅(qū)。例如，她和她的團隊已經(jīng)建造了三維格子，其光束只有幾納米寬 - 太小而不能用肉眼看到。這些材料具有不尋常的，通常令人驚訝的特性 Greer的團隊創(chuàng)造了極其輕質(zhì)的陶瓷，在壓縮后恢復(fù)到原來的形狀，海綿狀。
Greer的3-D組打印出各種材料的結(jié)構(gòu)，從陶瓷到有機化合物。然而，金屬難以印刷，特別是當試圖制造尺寸小于約50微米或約為人類頭發(fā)寬度一半的結(jié)構(gòu)時。
三維印刷在納米尺度下工作的方式是高精度激光器僅用兩個光子或光粒子將液體在材料的特定位置上拉開。這提供了足夠的能量來將液態(tài)聚合物硬化成固體，但不足以熔化金屬。
“金屬對光的反應(yīng)與我們用于制造納米尺度結(jié)構(gòu)的聚合物樹脂一樣，”加州理工學(xué)院工程與應(yīng)用科學(xué)系材料科學(xué)，機械和醫(yī)學(xué)工程教授格里爾說?！爱敼馀c聚合物相互作用使其硬化然后形成特定的形狀時，會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在金屬中，這個過程根本不可能?！?/span>
格里爾的研究生Andrey Vyatskikh想出了一個解決方案。他使用有機配體 - 與金屬結(jié)合的分子 - 來制造一種主要含有聚合物的樹脂，但它帶有可以印刷的金屬，就像腳手架一樣。
在Nature Communications論文中描述的實驗中，Vyatskikh將鎳和有機分子結(jié)合在一起，形成一種看起來很像咳嗽糖漿的液體。他們使用計算機軟件設(shè)計了一個結(jié)構(gòu)，然后通過用雙光子激光器切換液體來構(gòu)建它。激光在有機分子之間產(chǎn)生更強的化學(xué)鍵，使它們硬化成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。由于這些分子也與鎳原子鍵合，因此鎳結(jié)合到結(jié)構(gòu)中。通過這種方式，該團隊能夠打印出一種三維結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最初是金屬離子和非金屬有機分子的混合物。
Vyatskikh然后將結(jié)構(gòu)放入烤箱中，在真空室中將其緩慢加熱至1000攝氏度(約1800華氏度)。該溫度遠低于鎳的熔點(1,455攝氏度，或約2,650華氏度)，但足夠熱以蒸發(fā)結(jié)構(gòu)中的有機材料，僅留下金屬。被稱為熱解的加熱過程也將金屬顆粒熔合在一起。
此外，由于該工藝蒸發(fā)了大量結(jié)構(gòu)材料，其尺寸縮小了80%，但仍保持其形狀和比例。
“最終的縮水是我們能夠讓結(jié)構(gòu)變得如此之小的重要原因，”自然通訊報的第一作者Vyatskikh說?！霸谖覀?yōu)榧垙埥ㄔ斓慕Y(jié)構(gòu)中，印刷部分的金屬梁直徑大約是縫紉針尖端尺寸的1/1000。”
Greer和Vyatskikh仍然在改進他們的技術(shù); 目前，他們的論文中報道的結(jié)構(gòu)包括蒸發(fā)的有機材料留下的一些空隙以及一些微量雜質(zhì)。此外，如果該技術(shù)可用于工業(yè)，則需要按比例放大以生產(chǎn)更多材料，Greer說。雖然他們從鎳開始，但他們有興趣擴展到工業(yè)中常用的其他金屬，但是很難或不可能用小的三維形狀制造，如鎢和鈦。Greer和Vyatskikh也希望利用這種工藝對三維印刷其他材料，包括普通材料和外來材料，如陶瓷，半導(dǎo)體和壓電材料(具有機械應(yīng)力導(dǎo)致電氣效應(yīng)的材料)。
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