又一力作！斯坦福大学开发具有独特变形能力的3D打印纳米颗粒

2024年3月，南极熊获悉，斯坦福大学的研究人员开发出具有独特变形能力的 3D 打印纳米颗粒。 这种 3D 打印形状被称为阿基米德截断四面体 (ATT)，长期以来因其形成可瞬间改变形状的新材料的潜力而受到认可，然而特别难以用传统制造技术制造。



此研究已经发表在了《Nature Communications》杂志上，题目为《Direct observation of phase transitions intruncated tetrahedral microparticles under quasi-2D confinement》(《准二维约束下截断四面体微粒的相变直接观察》)，期望能够为工程和材料科学应用领域带来重大创新!
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46230-x

斯坦福大学机械工程助理教授，研究的主要作者 Wendy Gu 解释道：“我们使用 3D 纳米打印技术生产已知的最有研究前景的结构之一——阿基米德截角四面体，是微米级的四面体。“

3D 打印完成后，微米级颗粒成功自组装成不同的晶体结构。通过施加不同的外部刺激，这些材料可以在几分钟内在相之间转变，类似于从铁中产生回火钢的原子排列。此项研究有巨大的现实意义，例如，3D打印的纳米粒子可用于开发全天变化的太阳能电池板涂层，以提高能源效率，防止飞机窗户和机翼起雾或结冰的疏水薄膜，或新的计算机存储系统。如果能够学会控制由阿基米德截角四面体制成的材料中的这些相移，可能会引领许多有前景的工程方向。   


△形成多个六角形颗粒的截断四面体的光学图像。键序分析通过不同的颜色显示出不同的六方晶粒（底部）

3D打印变形纳米粒子
研究人员长期来一直认为，ATT 是生产具有相移能力的材料的最有效的几何形状之一。这些结构在计算机模拟中成功创建，但在物理制造方面提出了挑战。      虽然斯坦福大学团队并不是第一个制造大量纳米级 ATT 的团队，但他们是最先通过 3D 纳米打印实现这一目标的团队之一。在研究过程中，研究人员利用双光子光刻在微加工公司Nanoscribe的Photonic GT 3D 打印机上制造了大约 50,000 个粒子。


△阿基米德截角四面体的 SEM 图像和 3D 模型（等轴测图、俯视图和仰视图）

3D 打印完成后，将纳米颗粒混合到水溶液中，然后放入孔板中。研究人员随后观察了这些纳米颗粒在分别以 5° 和 10° 角度倾斜时如何自组装成两种不同的几何结构：

●第一种形成六边形图案，其中四面体平放在基板上，其三角形面朝上（这种特殊的六方相首次在与 ATT 相关的文献中进行报道）。  

●第二种结构是结晶准金刚石结构，ATT 粒子形成交替的向上和向下的方向，这种结构在光子学研究中特别受欢迎。

研究团队认为，添加磁场、电流和热量等外部刺激可以使 3D 打印颗粒快速重新排列并在相之间发生变化，这种能力可以为航空航天、能源和电子等垂直领域的一系列工业应用提供巨大的价值， 研究人员目前正在探索如何以新的方式利用 ATT，包括使这些粒子具有磁性，以控制它们的行为。


△六方相自组装结构模型（等轴测图和顶视图）

纳米级3D打印研究
●早在 2020 年，卡尔斯鲁厄理工学院(KIT) 的一个团队就开发了一种用于双光子光刻的3D打印墨水，该墨水能够自组装。该团队利用特殊配方的光致抗蚀剂来快速大批量地制造自组装几何形状。

材料经过配制，可排列成孔径范围为 30 至 100 nm 的纳米多孔结构。为了评估这种材料，该团队 3D 打印了一个直径为 800 微米的空心乌布利希球体。研究发现，可以通过改变激光脉冲的强度来控制孔隙的分布，从而影响球体的光散射特性。 研究小组指出，这些微结构可以组合形成更大、更复杂的结构，并且可以通过改变单独的自组装轮廓和 3D 打印参数来随意改变这些结构。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202002044     

●2020年6月，来自汉堡工业大学(TUHH)、麻省理工学院(MIT) 和不莱梅大学的研究人员利用纳米 3D 打印将颗粒组装成坚固的微观结构。 团队开发了一种直写自组装技术，通过交联增强该技术，以增强微结构的强度。将 3D 打印与这种胶体组装方法相结合可以开发出坚固的多功能 3D 结构有望为航空航天应用提供价值。   

原文链接：https://doi.org/10.1002/adem.202000352