3D打印超材料系列之納米級(jí)3D打印

作為3D打印超材料系列的一部分，本文將繼續(xù)探討納米3D打印技術(shù)，據(jù)南極熊了解，納米3D打印技術(shù)致力于打印特殊的納米級(jí)生物醫(yī)學(xué)和電子器件，通常用于研究目的。目前，研究人員正在研究如何通過打印微觀物體來實(shí)現(xiàn)宏觀上的物理特性變化。

探索這些可能性的一個(gè)早期項(xiàng)目是由勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）開發(fā)的，他們使用一種投影顯微光刻技術(shù)（PμSL）制造出了能夠支撐1萬倍于自身重量的零件。正如我們在本系列中探索的大多數(shù)超材料一樣，這種深遠(yuǎn)的力量的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的幾何形狀。

LLNL材料工程師克里斯-斯帕達(dá)奇尼(Chris Spadaccini)的說法很簡潔："我們的微結(jié)構(gòu)材料的特性是由其微觀上的幾何布局決定的，而不是化學(xué)成分。"

為了制造微晶格結(jié)構(gòu)，LLNL團(tuán)隊(duì)使用了一種系統(tǒng)，將LED的紫外光投射到微鏡上，微鏡將光線通過一系列的光學(xué)元件反射，縮小光束的大小，并將其投射到光聚合物槽上。研究人員測試了各種晶格幾何形狀，發(fā)現(xiàn)微晶結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度取決于它們的密度。

雖然聚合物樹脂是他們的基礎(chǔ)材料，但研究小組通過在樹脂中添加金屬、陶瓷材料，然后用熱能燒掉聚合物，就能制造出金屬、陶瓷微晶格結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的物體更加堅(jiān)固，同時(shí)還保持了極輕的重量。

從這一研究基礎(chǔ)上，LLNL以各種方式對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。例如，LLNL將這一技術(shù)同樣應(yīng)用于研究如何利用超材料和3D打印來優(yōu)化頭盔的設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)室比較了傳統(tǒng)的彈性體泡沫材料和由3D打印的聚合物微薄層組成的超材料，確定3D打印的聚合物比傳統(tǒng)的彈性體老化得更慢；但是3D打印的彈性體比非打印的彈性體老化得更快。其他研究還探討了受熱時(shí)收縮的銅-聚合物復(fù)合材料。

勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究員Cheng Zhu和前實(shí)驗(yàn)室博士后Wen Chen創(chuàng)建了由金和銀微粒子組成的油墨，打印后，3D零件被加熱，讓顆粒凝聚成金銀合金。這些零件被放入化學(xué)浴中，去除銀（這個(gè)過程被稱為 "dealloying"），形成多孔金。圖片由LLNL提供。

目前商用的生產(chǎn)納米打印系統(tǒng)公司包括Nanoscribe、BMF（摩方材料）、Microlight3D、Boston Micro Fabrication、Cubicure、UpNano和Swiss Litho AG。

Photonic Professional系統(tǒng)在3D微細(xì)加工方面的能力

然而，即使是這些納米級(jí)的系統(tǒng)，也可以往更加精細(xì)的方向發(fā)展。馬克斯-普朗克光科學(xué)研究所的研究人員開發(fā)了一種被描述為原子級(jí)打印的前奏的方法。該技術(shù)將光與單個(gè)原子或拋物鏡內(nèi)的單個(gè)納米粒子耦合，從而實(shí)現(xiàn)了光波的裁剪。

然后，光的時(shí)空分布和電場的偏振矢量或振蕩方向可以在比光本身波長更小的尺度上聚焦到物體上。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用這種方法制造出了具有獨(dú)特特性的納米結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為有可能用激光束困住單個(gè)原子，從而構(gòu)建出具有奇異原子精度的結(jié)構(gòu)。

納米和微觀尺度的3D打印可能會(huì)對(duì)處理細(xì)胞的微觀世界很有幫助，但這項(xiàng)研究的大部分內(nèi)容都是為了接下來在宏觀尺度上應(yīng)用。因此，各種科學(xué)團(tuán)隊(duì)都在努力生產(chǎn)這些納米級(jí)的物體，然后在實(shí)驗(yàn)室外部署這些納米級(jí)的物體。弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員正在研究架構(gòu)化材料在放大7個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)的行為如何變化。超越了雙光子聚合，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由納米級(jí)空心管組成的數(shù)十厘米大小的金屬部件，證明其拉伸彈性比沒有架構(gòu)化納米特征的同類產(chǎn)品高出400%。

LLNL本身已經(jīng)致力于通過大面積投影顯微立體光刻技術(shù)將納米級(jí)打印與傳統(tǒng)的立體光刻技術(shù)相結(jié)合，從而擴(kuò)大了納米打印的規(guī)模。它的發(fā)明者Bryan Moran是這樣描述的："LAPμSL系統(tǒng)在概念上類似于建造一個(gè)馬賽克，然后將其組合成一個(gè)更大的畫面。每一塊瓦片都有很多細(xì)節(jié)，它們組合在一起形成的畫面，反過來又會(huì)有更多的細(xì)節(jié)。"這是一種新的工具，可以非常快速地做出更大尺寸的部分，而且更有用。"



編譯自：3dprint