纳米级金属3D打印技术带来惊人好处，像病毒一样小却超级坚固

导读：去年年底，加州理工学院的研究人员宣布成功开发了一项新的制造技术，用于打印微型金属零件，它的厚度仅相当于三到四张纸。现在，该团队再次创新了这一技术，能够打印出尺寸小至150纳米的物体，与流感病毒的大小相媲美。在此过程中，该团队还发现，这些微小物体内部的原子排列呈无序状态，与传统认知相反，这种原子级混乱实际上提升了这些材料的质量，使其强度可能比具有更有序原子排列的类似尺寸结构高出三到五倍。

2023年11月6日，南极熊获悉，这项研究是由加州理工学院的材料科学、力学和医学工程领域的专家，弗莱彻琼斯基金会卡维理纳米科学研究所所长Julia R. Greer教授的实验室开展的。有关这一发现的详细信息已刊登在《纳米快报》杂志上的一篇论文中。

△论文题目为“通过纳米级增材制造抑制具有分层微观结构的纳米柱的尺寸效应”（传送门）

这项新技术与该团队去年宣布的另一项技术类似，但每一个步骤都经过重新设计，以适应纳米尺度。然而，这也带来了一个额外的挑战：制造出来的物体微小到肉眼不可见，也难以操控。

该过程首先涉及准备一种光敏的“混合物”，这个混合物主要由水凝胶组成，水凝胶是一种可以吸收其自身重量数倍的聚合物。然后，使用激光来有选择地硬化这种混合物，以建立出与所需金属物体相同形状的3D支架。在这项研究中，这些物体是一系列微小的柱子和纳米晶格。

△使用Julia R. Greer实验室开发的新技术制备的纳米级晶格

接下来，将水凝胶部分注入含有镍离子的水溶液。一旦这些部件被金属离子饱和，它们将被烘烤，直到所有的水凝胶都被燃尽，留下的零件与最初的形状相同，尽管它们已经收缩，并且完全由现在被氧化的金属离子组成，与氧原子结合。在最后一步中，氧原子从零件中被化学剥离，将金属氧化物转化回金属形式。

最后一步中的零件展现出了出乎意料的强度。

△纳米级镍柱的不规则内部结构

不寻常的微观结构

Greer表示：“在这个过程中，所有这些热过程和动力学过程同时发生，它们导致了非常非常混乱的微观结构。你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度恶化的因素。如果你要用钢建造一些东西，比如发动机缸体，你不会想看到这种类型的微观结构，因为它会显着削弱材料的强度。”

然而，Greer说他们的发现却正好相反。许多缺陷会在更大范围内削弱金属部件，但对于纳米级部件来说，它们会产生强化效果。

当支柱没有缺陷时，在所谓的晶界（构成材料的微观晶体相互碰撞的地方）发生灾难性的故障。

但当材料充满缺陷时，失效就很难从一个晶界传播到下一个晶界。这意味着材料不会突然失效，因为变形在整个材料中分布得更加均匀。

△机械工程研究生张文欣在纳米制造实验室工作

3D打印已进入纳米领域

该研究的主要作者、机械工程研究生张文欣说解释说：“通常情况下，金属纳米柱中的变形载流子，即位错或滑移，会一直传播，直到它能够从外表面逃逸。但在存在内部孔隙的情况下，传播将很快在孔隙表面终止，而不是一直持续到整个柱子。根据经验，使变形载体成核比让它传播更难，解释了为什么目前的支柱可能比其对应的支柱更强大。”

Greer认为，这是纳米级金属结构3D打印的首次演示之一。她指出，该过程可用于制造许多有用的成分，例如氢气催化剂；无碳氨和其他化学品的存储电极；以及传感器、微型机器人和热交换器等设备的重要部件。

她说：“我们最初非常担心。我们想，天哪，这种微观结构永远不会带来任何好处。但显然，我们没有理由担心，因为事实证明它甚至不是一种损害。它实际上是一种功能。”

总的来说，这个过程需要多个复杂的步骤和特定的工艺，以制备纳米级材料，这是一项高度专业化的工作，目前不能在普通3D打印机上实现，但未来的潜在前景巨大。