去年年底，加州理工學(xué)院的研究人員披露了他們開發(fā)的一項新制造技術(shù)，用于打印微型金屬零件，其特征尺寸約為三四張紙的厚度。

使用 Julia R. Greer 實驗室開發(fā)的新技術(shù)制備的納米級晶格。圖片來源：加州理工學(xué)院

現(xiàn)在，該團(tuán)隊重新構(gòu)想了這項技術(shù)，可以制造小一千倍的物體：150納米，與流感病毒的大小相當(dāng)。在這個過程中，研究小組還發(fā)現(xiàn)這些物體內(nèi)的原子排列是無序的，這在很大程度上會使這些材料看起來脆弱和“低質(zhì)量”。然而，對于納米尺寸的金屬物體，這種原子級別的混亂反而會產(chǎn)生相反的效果：這些部件的強度可能比具有更有序原子排列的類似尺寸結(jié)構(gòu)強三到五倍。

這項工作由加州理工學(xué)院的朱莉婭·R·格里爾（Julia R. Greer）教授主導(dǎo)。題為“通過納米級增材制造實現(xiàn)分層微結(jié)構(gòu)抑制納米柱的尺寸效應(yīng)”研究論文已經(jīng)發(fā)表在最新一期《納米快報》上。

該過程首先涉及準(zhǔn)備一種光敏混合物，其中主要成分是水凝膠，水凝膠是一種可以吸收其自身重量數(shù)倍的聚合物。然后，使用激光有選擇地硬化這種混合物，以構(gòu)建與所需金屬物體形狀相同的3D支架。在這項研究中，這些物體是一系列微小的柱子和納米晶格。

接下來，將水凝膠部分注入含有鎳離子的水溶液中。一旦這些部件被金屬離子飽和，它們會被加熱，直到所有的水凝膠都被燒掉，留下與原始形狀相同的部件，盡管縮小了，并且完全由氧化的金屬離子組成（與氧原子結(jié)合）。在最后一步中，氧原子會從零件中被化學(xué)剝離，將金屬氧化物轉(zhuǎn)化回金屬形式。

在最后一步中，這些部件表現(xiàn)出了意想不到的強度。

格里爾表示：“在這個過程中，所有這些熱過程和動力學(xué)過程同時發(fā)生，它們導(dǎo)致了非常混亂的微觀結(jié)構(gòu)。”“你會看到原子結(jié)構(gòu)中的孔隙和不規(guī)則性等缺陷，這些缺陷通常被認(rèn)為是強度惡化的缺陷。如果你要用鋼建造一些東西，比如發(fā)動機(jī)缸體，你不會想看到這種類型的微觀結(jié)構(gòu)，因為它會顯著削弱材料的強度?！?br />
然而，格里爾表示，他們的發(fā)現(xiàn)卻恰恰相反。許多缺陷會在更大范圍內(nèi)削弱金屬部件，但反而會強化納米級部件。

納米級鎳柱的不規(guī)則內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖片來源：加州理工學(xué)院

當(dāng)支柱沒有缺陷時，會發(fā)生沿著所謂的晶界（構(gòu)成材料的微觀晶體相互碰撞的地方）的災(zāi)難性故障。但當(dāng)材料充滿缺陷時，失效就很難從一個晶界傳播到下一個晶界。這意味著材料不會突然失效，因為變形在整個材料中分布得更加均勻。

張文新，該研究的主要作者之一，表示：“通常情況下，金屬納米柱中的變形載流子，即位錯或滑移，會一直傳播，直到它能夠從外表面逃逸。”“但在存在內(nèi)部孔隙的情況下，傳播將很快在孔隙表面終止，而不是一直持續(xù)到整個柱子。根據(jù)經(jīng)驗，使變形載體成核比讓它傳播更難，這解釋了為什么目前的支柱可能比其對應(yīng)的支柱更強大?！?br />
格里爾認(rèn)為，這是納米級金屬結(jié)構(gòu)3D打印的首批演示之一。她指出，該過程可用于制造許多有用的組件，例如氫氣催化劑；無碳氨和其他化學(xué)品的存儲電極；以及傳感器、微型機(jī)器人和熱交換器等設(shè)備的重要部件。

去年年底，加州理工學(xué)院的研究人員披露了他們開發(fā)的一項新制造技術(shù)，用于打印微型金屬零件，其特征尺寸約為三四張紙的厚度。

使用 Julia R. Greer 實驗室開發(fā)的新技術(shù)制備的納米級晶格。圖片來源：加州理工學(xué)院

現(xiàn)在，該團(tuán)隊重新構(gòu)想了這項技術(shù)，可以制造小一千倍的物體：150納米，與流感病毒的大小相當(dāng)。在這個過程中，研究小組還發(fā)現(xiàn)這些物體內(nèi)的原子排列是無序的，這在很大程度上會使這些材料看起來脆弱和“低質(zhì)量”。然而，對于納米尺寸的金屬物體，這種原子級別的混亂反而會產(chǎn)生相反的效果：這些部件的強度可能比具有更有序原子排列的類似尺寸結(jié)構(gòu)強三到五倍。

這項工作由加州理工學(xué)院的朱莉婭·R·格里爾（Julia R. Greer）教授主導(dǎo)。題為“通過納米級增材制造實現(xiàn)分層微結(jié)構(gòu)抑制納米柱的尺寸效應(yīng)”研究論文已經(jīng)發(fā)表在最新一期《納米快報》上。

該過程首先涉及準(zhǔn)備一種光敏混合物，其中主要成分是水凝膠，水凝膠是一種可以吸收其自身重量數(shù)倍的聚合物。然后，使用激光有選擇地硬化這種混合物，以構(gòu)建與所需金屬物體形狀相同的3D支架。在這項研究中，這些物體是一系列微小的柱子和納米晶格。

接下來，將水凝膠部分注入含有鎳離子的水溶液中。一旦這些部件被金屬離子飽和，它們會被加熱，直到所有的水凝膠都被燒掉，留下與原始形狀相同的部件，盡管縮小了，并且完全由氧化的金屬離子組成（與氧原子結(jié)合）。在最后一步中，氧原子會從零件中被化學(xué)剝離，將金屬氧化物轉(zhuǎn)化回金屬形式。

在最后一步中，這些部件表現(xiàn)出了意想不到的強度。

格里爾表示：“在這個過程中，所有這些熱過程和動力學(xué)過程同時發(fā)生，它們導(dǎo)致了非常混亂的微觀結(jié)構(gòu)。”“你會看到原子結(jié)構(gòu)中的孔隙和不規(guī)則性等缺陷，這些缺陷通常被認(rèn)為是強度惡化的缺陷。如果你要用鋼建造一些東西，比如發(fā)動機(jī)缸體，你不會想看到這種類型的微觀結(jié)構(gòu)，因為它會顯著削弱材料的強度?！?br />
然而，格里爾表示，他們的發(fā)現(xiàn)卻恰恰相反。許多缺陷會在更大范圍內(nèi)削弱金屬部件，但反而會強化納米級部件。

納米級鎳柱的不規(guī)則內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖片來源：加州理工學(xué)院

當(dāng)支柱沒有缺陷時，會發(fā)生沿著所謂的晶界（構(gòu)成材料的微觀晶體相互碰撞的地方）的災(zāi)難性故障。但當(dāng)材料充滿缺陷時，失效就很難從一個晶界傳播到下一個晶界。這意味著材料不會突然失效，因為變形在整個材料中分布得更加均勻。

張文新，該研究的主要作者之一，表示：“通常情況下，金屬納米柱中的變形載流子，即位錯或滑移，會一直傳播，直到它能夠從外表面逃逸。”“但在存在內(nèi)部孔隙的情況下，傳播將很快在孔隙表面終止，而不是一直持續(xù)到整個柱子。根據(jù)經(jīng)驗，使變形載體成核比讓它傳播更難，這解釋了為什么目前的支柱可能比其對應(yīng)的支柱更強大?！?br />
格里爾認(rèn)為，這是納米級金屬結(jié)構(gòu)3D打印的首批演示之一。她指出，該過程可用于制造許多有用的組件，例如氫氣催化劑；無碳氨和其他化學(xué)品的存儲電極；以及傳感器、微型機(jī)器人和熱交換器等設(shè)備的重要部件。