美國(guó)研究人員開(kāi)發(fā)出“3D生長(zhǎng)”增材制造技術(shù)

來(lái)源：賢集網(wǎng)

據(jù)南極熊了解，美國(guó)能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校研究人員開(kāi)發(fā)出“3D生長(zhǎng)”增材制造技術(shù),，可控制晶體材料結(jié)晶形成所需結(jié)構(gòu),。研究人員開(kāi)發(fā)出一種名為3D聚合物接枝納米粒子（PGNP）晶體的納米顆粒復(fù)合材料。通過(guò)控制聚合物在溶液中的沉積過(guò)程,，研究人員能夠控制3D PGNP晶體的大小和形狀,，實(shí)現(xiàn)了從單粒子水平上控制晶體結(jié)構(gòu)。待溶液完成蒸發(fā),，材料完成初步成型,。該研究有望在納米級(jí)（十億分之一米）微調(diào)電子和光學(xué)設(shè)備的制造方面獲得前所未有的精度。

能源部勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（伯克利實(shí)驗(yàn)室）和加州大學(xué)伯克利分校的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種納米粒子復(fù)合材料,，可以生長(zhǎng)成三維晶體,。科學(xué)家們說(shuō),，這種新材料--他們?cè)谧罱�發(fā)表的《自然通訊》研究中稱之為3D PGNP（聚合物接枝納米粒子）晶體--可能會(huì)帶來(lái)3D生長(zhǎng)而非3D打印的新技術(shù),。

該研究的資深作者Ting Xu說(shuō)：“我們已經(jīng)展示了一個(gè)新的杠桿，可以說(shuō)是將晶體材料生長(zhǎng)為復(fù)合材料或結(jié)構(gòu)材料,，應(yīng)用范圍從智能建筑的納米級(jí)光子學(xué)到機(jī)器人的執(zhí)行器,�,！盭u是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部的高級(jí)科學(xué)家,，也是加州大學(xué)伯克利分�,；瘜W(xué)和材料科學(xué)與工程系的教授。

徐說(shuō),，他們的新方法符合大規(guī)模制造的要求,。"許多聰明人已經(jīng)設(shè)計(jì)了優(yōu)雅的化學(xué)制品，如DNA和超分子,，以使納米粒子結(jié)晶,。我們的系統(tǒng)本質(zhì)上是納米粒子和聚合物的混合體--它們類似于人們用來(lái)制造飛機(jī)機(jī)翼或汽車保險(xiǎn)杠的成分。但更有趣的是，我們沒(méi)有想到我們的方法會(huì)如此簡(jiǎn)單,，如此快速,，"徐說(shuō)。

一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)
主要作者錢怡文是加州大學(xué)伯克利分校徐氏小組的博士生研究員,，在一次普通的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中偶然發(fā)現(xiàn)了3D PGNP納米晶體,。

幾天前，她把甲苯溶劑和與聚苯乙烯接枝的金納米粒子（Au-PS）的溶液放在實(shí)驗(yàn)室柜臺(tái)上的離心管中,。當(dāng)她在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察該樣品時(shí),，她注意到了一些奇怪的東西，納米顆粒迅速結(jié)晶了,。她說(shuō)：“這不是一個(gè)正常的預(yù)期,。”

為了進(jìn)行研究,，徐與伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的科學(xué)家Peter Ercius以及伯明翰大學(xué)的Wolfgang Theis和Alessandra DaSilva合作,，他們都因其在STEM（掃描透射電子顯微鏡）斷層掃描方面的專業(yè)知識(shí)而廣受贊譽(yù)，這是一種電子顯微鏡技術(shù),，利用高度集中的電子束來(lái)高分辨率地重建材料的三維結(jié)構(gòu)圖像,。

研究人員使用分子鑄造廠的顯微鏡，一個(gè)世界領(lǐng)先的STEM斷層掃描用戶設(shè)施,，首先捕捉到了Au-PS納米顆粒的晶體三維模式,。

為了尋找更多的線索，徐和錢隨后在加州大學(xué)伯克利分校進(jìn)行了核磁共振光譜實(shí)驗(yàn),，他們?cè)谀抢锇l(fā)現(xiàn),，來(lái)自離心機(jī)管內(nèi)壁的極微量的聚烯烴分子以某種方式進(jìn)入了混合物,。聚烯烴,，包括聚乙烯和聚丙烯，是世界上最普遍的一些塑料,。

Qian重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn),，在Au-PS溶液中加入了更多的聚烯烴--這一次，他們?cè)趲追昼妰?nèi)得到了更大的三維PGNP晶體,。

Xu很驚訝,。她回憶說(shuō)："我想，'這不應(yīng)該發(fā)生得這么快',。納米顆粒的晶體在實(shí)驗(yàn)室里通常需要幾天的時(shí)間來(lái)生長(zhǎng),。"

工業(yè)的福音：在納米級(jí)上生長(zhǎng)材料
隨后的實(shí)驗(yàn)顯示，由于甲苯溶劑在室溫下迅速蒸發(fā),，聚烯烴添加劑幫助Au-PS納米粒子形成三維PGNP晶體,，并成長(zhǎng)為它們最喜歡的晶體結(jié)構(gòu)。在另一個(gè)關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)中,，研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)自組裝的100-200納米的晶體盤(pán),，看起來(lái)像一個(gè)金字塔的底座,。從這一在納米級(jí)掌握物質(zhì)的驚人展示中，研究人員了解到,，三維PGNP晶體的大小和形狀是由聚烯烴在溶液中沉淀時(shí)的動(dòng)能驅(qū)動(dòng)的,。

總的來(lái)說(shuō)，這些發(fā)現(xiàn) "提供了一個(gè)模型,，表明你如何能夠在單粒子水平上控制晶體結(jié)構(gòu),。"徐說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)他們的發(fā)現(xiàn)是令人興奮的,，因?yàn)樗�提供了�?duì)晶體在成核早期階段如何形成的新見(jiàn)解,。

Ercius說(shuō)："而這是具有挑戰(zhàn)性的工作，因?yàn)楹茈y讓原子彼此相鄰,。"

徐說(shuō),，這種新方法可以讓研究人員在納米級(jí)（十億分之一米）的電子和光學(xué)設(shè)備的微調(diào)中獲得前所未有的控制。她補(bǔ)充說(shuō),，這種納米級(jí)的精度可以加快生產(chǎn)速度,，消除制造中的錯(cuò)誤。

展望未來(lái),，Qian希望利用他們的新技術(shù)來(lái)探測(cè)不同晶體結(jié)構(gòu)的韌性--甚至可能制造出六角形晶體,。徐計(jì)劃使用他們的技術(shù)來(lái)生長(zhǎng)更大的設(shè)備，如晶體管,，或者也許用混合材料3D打印納米粒子,。

"你能用不同的形態(tài)做什么？我們已經(jīng)表明,，有可能從一種礦物和一種聚合物中生成一種單組分的復(fù)合材料,。這真的很令人興奮。有時(shí)你只需要在正確的時(shí)間出現(xiàn)在正確的地點(diǎn),。"徐說(shuō),。

這篇論文的共同作者包括英國(guó)伯明翰大學(xué)的Alessandra da Silva和Wolfgang Theis；加州大學(xué)伯克利分校Xu小組的一名本科生研究員Emmy Yu,；以及伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的Christopher L. Anderson和Yi Liu,。