新型納米級(jí)3D打印材料可以為衛(wèi)星、無人機(jī)和微電子提供更好的結(jié)構(gòu)保護(hù)

來源：長(zhǎng)三角G60激光聯(lián)盟


科幻小說設(shè)想了快速的3D打印過程，可以從任意數(shù)量的材料中快速創(chuàng)建新對(duì)象。但實(shí)際上，3D打印在可用的材料的屬性和類型方面仍然受到限制，尤其是在以非常小的規(guī)模打印時(shí)。

斯坦福大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種用于納米級(jí)打印的新材料，并用它來打印既堅(jiān)固又輕的微小晶格。這種結(jié)構(gòu)人類頭發(fā)寬度的一小半。發(fā)表在《Sciende》雜志上的一篇論文中，研究人員證明，這種新材料能夠吸收的能量是其他密度相當(dāng)?shù)?D打印材料的兩倍。在未來，他們的發(fā)明可用于為易碎的衛(wèi)星、無人機(jī)和微電子產(chǎn)品提供更好的輕量化保護(hù)。

論文作者，機(jī)械工程助理教授Wendy Gu解釋道：“現(xiàn)在人們對(duì)設(shè)計(jì)不同類型的3D結(jié)構(gòu)以獲得機(jī)械性能很感興趣，我們?cè)诖嘶�礎(chǔ)上所做的是開發(fā)一種真正擅長(zhǎng)抵抗力的材料，因此它不僅是3D結(jié)構(gòu)，而且是提供非常好保護(hù)的材料�！�

引入金屬納米簇
為了設(shè)計(jì)一種更好的3D打印材料，GU和她的同事將金屬納米團(tuán)和微小的原子團(tuán)結(jié)合到他們的打印介質(zhì)中。研究人員正在使用一種稱為雙光子光刻的方法進(jìn)行印刷，其中印刷材料通過激光引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)硬化。他們發(fā)現(xiàn)，他們的納米簇非常善于啟動(dòng)這一反應(yīng)，并產(chǎn)生了一種由聚合物打印介質(zhì)和金屬組成的復(fù)合材料。

使用納米級(jí)3D打印制作的小巧但堅(jiān)固的斯坦福標(biāo)志。來源：John Kulikowski

研究人員能夠?qū)⒔饘偌{米簇與丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂和蛋白質(zhì)結(jié)合起來，這是3D打印中常用的幾種聚合物。此外，納米簇有助于加快打印過程。例如，通過將納米簇與蛋白質(zhì)結(jié)合，能夠以每秒100毫米的速度進(jìn)行打印，這比以前在納米級(jí)蛋白質(zhì)打印中實(shí)現(xiàn)的速度快100倍。

研究人員用幾種不同的晶格結(jié)構(gòu)測(cè)試了他們的新材料，其中一些優(yōu)先考慮了承受重負(fù)荷的能力，另一些則優(yōu)先考慮了吸收沖擊的能力。使用納米簇聚合物復(fù)合材料，所有結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出了驚人的能量吸收、強(qiáng)度和可恢復(fù)性的組合——基本上是擠壓和回彈的能力。

“晶格結(jié)構(gòu)當(dāng)然很重要，但我們?cè)谶@里展示的是，如果它所用的材料是優(yōu)化的，這對(duì)性能更重要�！盙U說，“如果你有合適的打印材料，你就不必?fù)?dān)心3D結(jié)構(gòu)到底是什么。”

納米團(tuán)簇光刻膠的光化學(xué)和可打印性。

復(fù)制自然世界

在某些方面，研究人員試圖模仿大自然已經(jīng)完美的東西。例如，骨骼的彈性來自堅(jiān)硬的外表、納米級(jí)的孔隙率和少量的軟質(zhì)材料。這種3D結(jié)構(gòu)和多種精心設(shè)計(jì)的材料的結(jié)合，使我們的骨骼能夠在不斷裂的情況下（大部分時(shí)間）傳遞能量，并且仍然保持相對(duì)輕量化。理想情況下，3D打印保護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)也會(huì)有多種類型的材料，有些更硬，有些更軟，以更好地分散沖擊并抵抗擠壓。

“由于納米簇能夠聚合這些不同種類的化學(xué)物質(zhì)，我們可能能夠用它們?cè)谝粋�(gè)結(jié)構(gòu)中打印多種材料。”GU說，“這是我們希望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)之一。”

機(jī)械性能比較。

來源：Mechanical nanolattices printed using nanocluster-based photoresists, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abo6997