又一力作！斯坦福大學(xué)開(kāi)發(fā)具有獨(dú)特變形能力的3D打印納米顆粒

2024年3月,，南極熊獲悉,，斯坦福大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出具有獨(dú)特變形能力的 3D 打印納米顆粒。 這種 3D 打印形狀被稱(chēng)為阿基米德截?cái)嗨拿骟w (ATT),，長(zhǎng)期以來(lái)因其形成可瞬間改變形狀的新材料的潛力而受到認(rèn)可,，然而特別難以用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造。



此研究已經(jīng)發(fā)表在了《Nature Communications》雜志上,，題目為《Direct observation of phase transitions intruncated tetrahedral microparticles under quasi-2D confinement》(《準(zhǔn)二維約束下截?cái)嗨拿骟w微粒的相變直接觀察》),，期望能夠?yàn)楣こ毯筒牧峡茖W(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)重大創(chuàng)新!
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46230-x

斯坦福大學(xué)機(jī)械工程助理教授，研究的主要作者 Wendy Gu 解釋道：“我們使用 3D 納米打印技術(shù)生產(chǎn)已知的最有研究前景的結(jié)構(gòu)之一——阿基米德截角四面體,，是微米級(jí)的四面體,。“

3D 打印完成后,，微米級(jí)顆粒成功自組裝成不同的晶體結(jié)構(gòu),。通過(guò)施加不同的外部刺激，這些材料可以在幾分鐘內(nèi)在相之間轉(zhuǎn)變,，類(lèi)似于從鐵中產(chǎn)生回火鋼的原子排列,。此項(xiàng)研究有巨大的現(xiàn)實(shí)意義，例如,，3D打印的納米粒子可用于開(kāi)發(fā)全天變化的太陽(yáng)能電池板涂層,，以提高能源效率，防止飛機(jī)窗戶(hù)和機(jī)翼起霧或結(jié)冰的疏水薄膜,，或新的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng),。如果能夠?qū)W會(huì)控制由阿基米德截角四面體制成的材料中的這些相移，可能會(huì)引領(lǐng)許多有前景的工程方向,。   


△形成多個(gè)六角形顆粒的截?cái)嗨拿骟w的光學(xué)圖像,。鍵序分析通過(guò)不同的顏色顯示出不同的六方晶粒（底部）

3D打印變形納米粒子
研究人員長(zhǎng)期來(lái)一直認(rèn)為，ATT 是生產(chǎn)具有相移能力的材料的最有效的幾何形狀之一,。這些結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)模擬中成功創(chuàng)建,，但在物理制造方面提出了挑戰(zhàn)。      雖然斯坦福大學(xué)團(tuán)隊(duì)并不是第一個(gè)制造大量納米級(jí) ATT 的團(tuán)隊(duì),，但他們是最先通過(guò) 3D 納米打印實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的團(tuán)隊(duì)之一,。在研究過(guò)程中，研究人員利用雙光子光刻在微加工公司Nanoscribe的Photonic GT 3D 打印機(jī)上制造了大約 50,000 個(gè)粒子,。


△阿基米德截角四面體的 SEM 圖像和 3D 模型（等軸測(cè)圖,、俯視圖和仰視圖）

3D 打印完成后,，將納米顆粒混合到水溶液中,，然后放入孔板中,。研究人員隨后觀察了這些納米顆粒在分別以 5° 和 10° 角度傾斜時(shí)如何自組裝成兩種不同的幾何結(jié)構(gòu)：

●第一種形成六邊形圖案，其中四面體平放在基板上,，其三角形面朝上（這種特殊的六方相首次在與 ATT 相關(guān)的文獻(xiàn)中進(jìn)行報(bào)道）,。  

●第二種結(jié)構(gòu)是結(jié)晶準(zhǔn)金剛石結(jié)構(gòu)，ATT 粒子形成交替的向上和向下的方向,，這種結(jié)構(gòu)在光子學(xué)研究中特別受歡迎,。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，添加磁場(chǎng),、電流和熱量等外部刺激可以使 3D 打印顆�,？焖僦匦屡帕胁⒃谙嘀�間發(fā)生變化，這種能力可以為航空航天,、能源和電子等垂直領(lǐng)域的一系列工業(yè)應(yīng)用提供巨大的價(jià)值,， 研究人員目前正在探索如何以新的方式利用 ATT，包括使這些粒子具有磁性,，以控制它們的行為,。


△六方相自組裝結(jié)構(gòu)模型（等軸測(cè)圖和頂視圖）

納米級(jí)3D打印研究
●早在 2020 年，卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT) 的一個(gè)團(tuán)隊(duì)就開(kāi)發(fā)了一種用于雙光子光刻的3D打印墨水,，該墨水能夠自組裝,。該團(tuán)隊(duì)利用特殊配方的光致抗蝕劑來(lái)快速大批量地制造自組裝幾何形狀。

材料經(jīng)過(guò)配制,，可排列成孔徑范圍為 30 至 100 nm 的納米多孔結(jié)構(gòu),。為了評(píng)估這種材料，該團(tuán)隊(duì) 3D 打印了一個(gè)直徑為 800 微米的空心烏布利希球體,。研究發(fā)現(xiàn),，可以通過(guò)改變激光脈沖的強(qiáng)度來(lái)控制孔隙的分布，從而影響球體的光散射特性,。 研究小組指出,，這些微結(jié)構(gòu)可以組合形成更大、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu),，并且可以通過(guò)改變單獨(dú)的自組裝輪廓和 3D 打印參數(shù)來(lái)隨意改變這些結(jié)構(gòu),。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202002044     

●2020年6月，來(lái)自漢堡工業(yè)大學(xué)(TUHH),、麻省理工學(xué)院(MIT) 和不萊梅大學(xué)的研究人員利用納米 3D 打印將顆粒組裝成堅(jiān)固的微觀結(jié)構(gòu),。 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種直寫(xiě)自組裝技術(shù)，通過(guò)交聯(lián)增強(qiáng)該技術(shù)，以增強(qiáng)微結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,。將 3D 打印與這種膠體組裝方法相結(jié)合可以開(kāi)發(fā)出堅(jiān)固的多功能 3D 結(jié)構(gòu)有望為航空航天應(yīng)用提供價(jià)值。   

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adem.202000352