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(jiān)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(xiàng)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�,，F(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)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(shí)際上提升了這些材料的質(zhì)量,，使其強(qiáng)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(xiàng)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(huì)卡維理納米科學(xué)研究所所長Julia R. Greer教授的實(shí)驗(yàn)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(bào)》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(xiàng)新技術(shù)與該團(tuán)隊(duì)去年宣布的另一項(xiàng)技術(shù)類似,，但每一個(gè)步驟都經(jīng)過重新設(shè)計(jì),，以適應(yīng)納米尺度。然而,，這也帶來了一個(gè)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(gè)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(xiàng)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(gè)過程中，所有這些熱過程和動(dòng)力學(xué)過程同時(shí)發(fā)生,，它們導(dǎo)致了非常非�,；靵y的微觀結(jié)構(gòu)。你會(huì)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(qiáng)度惡化的因素,。如果你要用鋼建造一些東西，比如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體,，你不會(huì)想看到這種類型的微觀結(jié)構(gòu),，因?yàn)樗鼤?huì)顯著削弱材料的強(qiáng)度�,！�

然而,，Greer說他們的發(fā)現(xiàn)卻正好相反。許多缺陷會(huì)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)化效果。

當(dāng)支柱沒有缺陷時(shí),，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(shí),，失效就很難從一個(gè)晶界傳播到下一個(gè)晶界。這意味著材料不會(huì)突然失效,，因?yàn)樽冃卧谡麄�(gè)材料中分布得更加均勻,。

△機(jī)械工程研究生張文欣在納米制造實(shí)驗(yàn)室工作

3D打印已進(jìn)入納米領(lǐng)域

該研究的主要作者、機(jī)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(cuò)或滑移，會(huì)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(gè)柱子,。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(qiáng)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(jī)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(huì)帶來任何好處,。但顯然,，我們沒有理由擔(dān)心，因?yàn)槭聦?shí)證明它甚至不是一種損害,。它實(shí)際上是一種功能,。”

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