MIT和LLNL用3D打印生成超強超硬的超材料

   報道,，日前,，美國Lawrence Livermore國家實驗室（LLNL）和麻省理工學院（MIT）的研究人員使用一種被稱為微光固化（microstereolithography）的3D打印技術開發(fā)出一種具有微架構(gòu)的超材料（metamaterial）,，該超材料具有1萬倍以上的剛度,，并且可以用各種材料如金屬或聚合物3D打印而成,。
   微光固化3D打印技術理論上類似于SLA 3D打印,，但它是在微觀尺度上進行的3D打印,，精度極高，不僅可以3D打印一般物體而且能夠打印出這個物體的微觀結(jié)構(gòu),。
   如果你是拿顯微鏡（25倍）去觀察常見的家用物品,，你會發(fā)現(xiàn)，在顯微鏡下每個材料看起來都不相同,。這是因為材料的不同導致的密度差異,。當?shù)牟牧显街旅埽膹姸仍礁�,，反之亦然,。利用這些原理，研究團隊開始著手構(gòu)建新的超材料,。
   有關超材料的想法早在幾十年前就有,，但迄今為止只是紙面上一個復雜的數(shù)學模型。如今通過非常精確的微光固化3D打印機,，研究團隊打印出了這種令人難以置信的獨特材料,。

“我們發(fā)現(xiàn)，像氣凝膠（一種泡沫玻璃]）這樣即輕又疏松的材料,，通過微光固化3D打印,，其機械剛度媲美實心橡膠，并且比同類密度物質(zhì)強400倍,。這些樣本可以輕松承受超過160,000倍自身重量的負荷,。”研究人員Nicholas Fang解釋說：“能達到這種超高剛度的關鍵是,，這種材料的所有微結(jié)構(gòu)元件都被設計成在約束和載荷下不彎曲,�,！�
除了比密度相似的材料強400倍以外，這些材料也比其他超輕量級的晶格材料更硬100倍,。研究人員能夠通過對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設計,，打印出重量極輕、強度和硬度非常高的超材料,。他們已在陶瓷,、金屬,、聚合物,，以及聚合物—陶瓷混合物上對這種打印方法進行了測試，均得出了類似的結(jié)果,。

由聚合物3D打印的單個單元 - 彈力為主的結(jié)構(gòu)

“這是世界上最輕的材料,。”LLNL的Spadaccini說,�,！安贿^，由于它的微架構(gòu)布局,，使得它表現(xiàn)出比非結(jié)構(gòu)化類似材料的強度高出4個數(shù)量級,�,！�
這意味著我們現(xiàn)在不僅能夠3D打印我們所需要的外形,，而且通過3D打印還能實現(xiàn)我們制定的物理特性，使他們更強,、更硬,、更輕。其應用前景非常廣闊,。比如可以打印移動設備的電池,、自行車車架、汽車零部件,、航空航天工程件,、假肢等等。據(jù)天工社了解,，其他的研究人員認為,，這項技術可以制造出平板材料，形成標準的單元,，以便組裝成更大的結(jié)構(gòu),；還可以用來制造電路，創(chuàng)造出更小更高效的電子產(chǎn)品,，

3D打印單元的完整陣列

      得知,，如果不使用這些高度復雜的3D打印機,，發(fā)展這些超材料及其復雜的三維微觀幾何形狀幾乎是不可能的�,！艾F(xiàn)在我們可以使用桌面型3D打印機打印出堅硬或者有彈性的材料,。”Fang說,�,！斑@使我們能夠迅速做出許多樣件，然后觀察它們表現(xiàn)出來的特性,�,！�
   該研究團隊的成員包括Rutgers大學助理教授Howon Lee、MIT的Nicholas Fang和 Qi “Kevin” Ge,、以及LLNL的Christopher Spadaccini,、Xiaoyu“Rayne” Zheng、Todd Weisgraber,、Maxim Shusteff,、Joshua Deotte、Eric Duoss,、Joshua Kuntz,、Monika Biener、Julie Jackson和 Sergei Kucheyev,。他們的研究成果發(fā)表在6月20日的《科學》雜志上,。

什么是超材料：
      “超材料"是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復合結(jié)構(gòu)或復合材料。通過在材料的關鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設計,，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制,，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。
      "超材料"這一新的觀念尚未被學術界,，特別是材料學界完全接受,。不過，作為一種材料設計理念,，已開始為越來越多的學者所關注,。