顛覆"熱脹冷縮",， 3D打印出負(fù)熱膨脹超材料

2018年2月25日,，南極熊獲悉,，2016年頂級(jí)物理期刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》雜志發(fā)表了一篇研究論文，介紹了一種3D打印的超材料結(jié)構(gòu),，在加熱溫度升高的情況下出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象,，這一現(xiàn)象完全顛覆了我們初高中所學(xué)的物理常識(shí)——“熱脹冷縮”。如今這種微結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)由深圳摩方材料公司產(chǎn)業(yè)化,。

科技日?qǐng)?bào)曾對(duì)此做過(guò)報(bào)道,，該研究由美國(guó)勞倫斯利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、麻省理工學(xué)院（MIT）,、南加州大學(xué),、加州大學(xué)洛杉磯分校科學(xué)家合作,，首次3D打印出受熱收縮的全新超材料,。這個(gè)新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復(fù)之前體積，能反復(fù)使用,，適用于制作溫度變化較大環(huán)境中所需要的精密操作部件,，如微芯片和高精光學(xué)儀器等。

傳統(tǒng)大體積材料的熱力學(xué)特性都表現(xiàn)為受熱膨脹,、遇冷收縮,，而這次獲得的超材料完全相反，它在受熱時(shí)會(huì)收縮,。該材料是用樹(shù)脂和另一種摻雜納米銅顆粒的樹(shù)脂打印出來(lái)的微晶格結(jié)構(gòu),，包含橫梁和空心點(diǎn)陣兩個(gè)部分，因不同材料受熱時(shí)相對(duì)位移不同,，使得連接點(diǎn)處向內(nèi)拉伸,，帶動(dòng)整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉伸，從而表現(xiàn)出獨(dú)有的熱收縮特性,。

MIT機(jī)械工程系方絢萊教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該研究的3D打印部分的工作,。方絢萊教授在接受科技日?qǐng)?bào)記者郵件采訪中表示，他們采用的是顯微立體光刻3D打印技術(shù),，類似噴墨打印機(jī)和數(shù)字曝光機(jī)的結(jié)合,。先將不同材料的液滴噴在一個(gè)透明窗口上,，再通過(guò)數(shù)字投影機(jī)把圖案分別投射在需要固化的液滴背面。被光照過(guò)的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu),，附著在一個(gè)樣品支架上,，窗口上沒(méi)有曝光的液滴則被清除。如此反復(fù),，可以得到所需的復(fù)合材料,。

方絢萊教授介紹，從每個(gè)單元來(lái)看,，新結(jié)構(gòu)類似斜拉橋的設(shè)計(jì),，只是伸縮性好的鋼筋換成了相對(duì)柔軟的樹(shù)脂，剛度大的橫梁變成了摻銅納米顆粒的樹(shù)脂,。受熱時(shí)柔軟的樹(shù)脂先伸長(zhǎng),，直到加固的橫梁也被拉動(dòng)而相對(duì)錨定的位置轉(zhuǎn)動(dòng)�,？傮w上看,，整個(gè)空心的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)收縮。

這個(gè)新型結(jié)構(gòu)適用于制作溫度變化較大環(huán)境中的精密部件,，如避免熱脹冷縮造成焦距漂移的光學(xué)鏡頭,；長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)熱但不會(huì)影響穩(wěn)定性的微型芯片；提高太陽(yáng)能利用效率的器件,；遇高溫食物能與真牙完美匹配的牙科填充物,；甚至穿越太陽(yáng)強(qiáng)熱照射的人造衛(wèi)星等。

如今,，南極熊了解到,，MIT方絢萊教授的技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)由深圳摩方材料公司產(chǎn)業(yè)化，公司聚焦在微納打印系統(tǒng)及精密光學(xué)器件的研發(fā)和生產(chǎn),。摩方材料自主研發(fā)的nanoArchM300多材料3D打印系統(tǒng),，可以實(shí)現(xiàn)高精度多材料3D打印，M300支持同時(shí)打印多種樹(shù)脂材料在一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣品中,，適用于基礎(chǔ)理論驗(yàn)證及原理創(chuàng)新研究,。其主要應(yīng)用在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料、功能梯度材料,、超材料,、復(fù)合材料、復(fù)雜微流控,，多材料4D打印等方面,。

nanoArch M300系統(tǒng)允許將不同材料以液態(tài)混合在一起涂布，然后再用紫外線光源形成精細(xì)圖案進(jìn)行固化。利用這一方法,，研究人員可以將物體微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的橫梁按特定角度進(jìn)行有序排列（而非改變分子結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成新材料）,。在所構(gòu)成的新材料中由于組成材質(zhì)不同,，不同功能單元受熱的膨脹速率也有所不同,，結(jié)果受熱時(shí)物體整體非但沒(méi)有膨脹，反而開(kāi)始向里收縮,，徹底顛覆了以往熱脹冷縮的原理,。

如同芯片加工等精密制造領(lǐng)域，超高精度的3D打印是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,，首先需要有技術(shù)水平領(lǐng)先且質(zhì)量穩(wěn)定的設(shè)備,，但設(shè)備僅僅是一個(gè)能力型的平臺(tái)，需要在打印材料,，打印軟件,，打印工藝，后處理工藝等多個(gè)方面不斷創(chuàng)新和突破,，才能不斷做出顛覆性的成果,，當(dāng)然這需要長(zhǎng)時(shí)間的基礎(chǔ)研究和工藝摸索。下圖是摩方研發(fā)團(tuán)隊(duì),，運(yùn)用超高精度打印技術(shù),，打印微彈簧結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片，這種國(guó)際領(lǐng)先的精密加工水平,，將進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化,，拓寬該技術(shù)的應(yīng)用。這種精度和結(jié)構(gòu)的材料,，再結(jié)合其他工藝技術(shù),，比如表面金屬化工藝，未來(lái)可用于新型傳感器的研發(fā)和生產(chǎn),，在MEMS領(lǐng)域有應(yīng)用前景,。據(jù)南極熊了解，這2個(gè)微型彈簧樣品,，是由摩方材料公司的超高精度單材料打印系統(tǒng)nano Arch P110打印,，該打印系統(tǒng)有2μm的XY打印精度，和5μm打印層厚精度,，并有獨(dú)特的工藝和軟件算法,，可打印微彈簧，超材料,，微流控等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料器件,。


來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)
編輯：南極熊