斯坦福开发出新型纳米级3D打印材料，可以为航空航天和微电子产品提供更好的结构保护

南极熊导读：科幻小说设想了3D打印的快速制造过程，这种想象中的技术，可以使用任意数量的材料快速创建新对象。但实际上，该技术在可用材料的属性和类型方面仍然受到很多限制，尤其是在打印非常小的尺寸构建体时仍然具有很大的挑战。

△使用纳米级3D打印制作的微小但坚固的斯坦福徽章

2022年11月18日，南极熊获悉，斯坦福工程师开发出了新型纳米级3D打印材料，并声称采用这种超级材料，3D打印制造商可以拥有更大的设计空间，而不必担心结构是否合理之类的问题。

△这种新纳米材料可以为卫星、无人机和微电子产品带来更好的结构保护

该研究人员开发了一种用于纳米级打印的新材料，该材料的大小仅有人类头发丝宽度的一小部分，并可以打印成既坚固又轻便的微小晶格。经研究人员证明，在密度相等的情况下，这种新材料能够吸收的能量，是其它同类3D打印材料的两倍。未来，他们的发明可用于为易碎的卫星、无人机和微电子产品提供更轻、机械强度更强的结构件。

机械工程助理教授、这篇论文的通讯作者Wendy Gu说:“现在人们对设计不同类型机械性能的3D打印结构很感兴趣，我们在此基础上开发了一种真正擅长抵抗力的材料，因为，它不仅是3D结构，而且还提供了很好的保护功能。”

△该研究已在发表在《科学》上，题目为“使用基于纳米簇的光刻胶打印的机械纳米晶格”（传送门）

金属纳米团簇
为了设计更好的3D打印材料，Gu和她的同事将金属纳米团簇（微小的原子团）融入到他们的打印介质中。研究人员使用了一种被称为双光子光刻工艺 (2PL)技术进行打印，其中打印材料通过激光引发的化学反应而硬化。由此发现他们的纳米团簇非常善于启动这种反应，并产生了一种由聚合物打印介质和金属复合而成的材料。

Gu说：“纳米团簇具有非常好的吸收激光的特性，然后将其转化为化学反应。而且他们能够用几类聚合物做到这一点，所以这种新材料比我预期的更通用。”

研究人员能够将金属纳米团簇与丙烯酸酯、环氧树脂和蛋白质——3D打印中使用的几种常见聚合物类别结合起来。此外，纳米团簇有助于加快打印过程。例如，通过将纳米团簇与蛋白质相结合，Gu和她的同事能够以每秒100毫米的速度打印，这比以前在纳米级蛋白质打印中实现的速度约快100倍。

研究人员用几种不同的晶格结构测试了他们的新材料，优先考虑一些材料的承载能力和吸收抗冲击力的能力。使用纳米团簇-聚合物复合材料，所有结构都表现出令人印象深刻的能量吸收、强度和可恢复性（本质上是挤压和回弹的能力）。

Gu说：“晶格结构当然很重要，但我们在这里展示的是，如果制造它的材料经过优化，这对性能来说更为重要。如果你有合适的打印材料，你就不必担心3D结构到底是什么。”

△Osteopore植入物的蜂窝状微观结构，顶视图（左）和侧视图（右）

用3D打印模拟现实世界
在某些方面，Gu和她的同事们正在研究如何制造出更贴近大自然东西。例如，骨头的弹性来自坚硬的外表、纳米级孔隙度和少量软材料的组合。这种3D结构与多种精心设计的材料相组合，使我们的骨植入物能够在不断裂（大多数情况下）的情况下传递能量，并且仍然保持相对轻巧的重量。理想情况下，3D打印的结构内部也会涉及多种类型的材料，一些更硬一些更软，以更好地分散冲击力并抵抗力的挤压。

Gu说：“由于纳米团簇能够聚合这些不同类别的化学物质，我们可以使用它们在一种结构中打印多种材料，这是我们的重点研究方向。”

该研究得到了美国国家科学基金会、美国化学学会石油研究基金和斯坦福大学研究生奖学金的资助。