新型纳米级3D打印材料可以为卫星、无人机和微电子提供更好的结构保护

来源：长三角G60激光联盟


科幻小说设想了快速的3D打印过程，可以从任意数量的材料中快速创建新对象。但实际上，3D打印在可用的材料的属性和类型方面仍然受到限制，尤其是在以非常小的规模打印时。

斯坦福大学的研究人员开发了一种用于纳米级打印的新材料，并用它来打印既坚固又轻的微小晶格。这种结构人类头发宽度的一小半。发表在《Sciende》杂志上的一篇论文中，研究人员证明，这种新材料能够吸收的能量是其他密度相当的3D打印材料的两倍。在未来，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好的轻量化保护。

论文作者，机械工程助理教授Wendy Gu解释道：“现在人们对设计不同类型的3D结构以获得机械性能很感兴趣，我们在此基础上所做的是开发一种真正擅长抵抗力的材料，因此它不仅是3D结构，而且是提供非常好保护的材料。”

引入金属纳米簇
为了设计一种更好的3D打印材料，GU和她的同事将金属纳米团和微小的原子团结合到他们的打印介质中。研究人员正在使用一种称为双光子光刻的方法进行印刷，其中印刷材料通过激光引发的化学反应硬化。他们发现，他们的纳米簇非常善于启动这一反应，并产生了一种由聚合物打印介质和金属组成的复合材料。

使用纳米级3D打印制作的小巧但坚固的斯坦福标志。来源：John Kulikowski

研究人员能够将金属纳米簇与丙烯酸酯、环氧树脂和蛋白质结合起来，这是3D打印中常用的几种聚合物。此外，纳米簇有助于加快打印过程。例如，通过将纳米簇与蛋白质结合，能够以每秒100毫米的速度进行打印，这比以前在纳米级蛋白质打印中实现的速度快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，其中一些优先考虑了承受重负荷的能力，另一些则优先考虑了吸收冲击的能力。使用纳米簇聚合物复合材料，所有结构都表现出了惊人的能量吸收、强度和可恢复性的组合——基本上是挤压和回弹的能力。

“晶格结构当然很重要，但我们在这里展示的是，如果它所用的材料是优化的，这对性能更重要。”GU说，“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。”

纳米团簇光刻胶的光化学和可打印性。

复制自然世界

在某些方面，研究人员试图模仿大自然已经完美的东西。例如，骨骼的弹性来自坚硬的外表、纳米级的孔隙率和少量的软质材料。这种3D结构和多种精心设计的材料的结合，使我们的骨骼能够在不断裂的情况下（大部分时间）传递能量，并且仍然保持相对轻量化。理想情况下，3D打印保护结构内也会有多种类型的材料，有些更硬，有些更软，以更好地分散冲击并抵抗挤压。

“由于纳米簇能够聚合这些不同种类的化学物质，我们可能能够用它们在一个结构中打印多种材料。”GU说，“这是我们希望实现的目标之一。”

机械性能比较。

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