3D打印超材料系列之納米級(jí)3D打印

魔猴君  行業(yè)資訊   1691天前

作為3D打印超材料系列的一部分，本文將繼續(xù)探討納米3D打印技術(shù)，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，納米3D打印技術(shù)致力于打印特殊的納米級(jí)生物醫(yī)學(xué)和電子器件，通常用于研究目的。目前，研究人員正在研究如何通過(guò)打印微觀物體來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀上的物理特性變化。

探索這些可能性的一個(gè)早期項(xiàng)目是由勞倫斯-利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）開(kāi)發(fā)的，他們使用一種投影顯微光刻技術(shù)（PμSL）制造出了能夠支撐1萬(wàn)倍于自身重量的零件。正如我們?cè)诒鞠盗兄刑剿鞯拇蠖鄶?shù)超材料一樣，這種深遠(yuǎn)的力量的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)的幾何形狀。

LLNL材料工程師克里斯-斯帕達(dá)奇尼(Chris Spadaccini)的說(shuō)法很簡(jiǎn)潔："我們的微結(jié)構(gòu)材料的特性是由其微觀上的幾何布局決定的，而不是化學(xué)成分。"

為了制造微晶格結(jié)構(gòu)，LLNL團(tuán)隊(duì)使用了一種系統(tǒng)，將LED的紫外光投射到微鏡上，微鏡將光線通過(guò)一系列的光學(xué)元件反射，縮小光束的大小，并將其投射到光聚合物槽上。研究人員測(cè)試了各種晶格幾何形狀，發(fā)現(xiàn)微晶結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度取決于它們的密度。

雖然聚合物樹(shù)脂是他們的基礎(chǔ)材料，但研究小組通過(guò)在樹(shù)脂中添加金屬、陶瓷材料，然后用熱能燒掉聚合物，就能制造出金屬、陶瓷微晶格結(jié)構(gòu)。由此產(chǎn)生的物體更加堅(jiān)固，同時(shí)還保持了極輕的重量。

從這一研究基礎(chǔ)上，LLNL以各種方式對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展。例如，LLNL將這一技術(shù)同樣應(yīng)用于研究如何利用超材料和3D打印來(lái)優(yōu)化頭盔的設(shè)計(jì)。該實(shí)驗(yàn)室比較了傳統(tǒng)的彈性體泡沫材料和由3D打印的聚合物微薄層組成的超材料，確定3D打印的聚合物比傳統(tǒng)的彈性體老化得更慢；但是3D打印的彈性體比非打印的彈性體老化得更快。其他研究還探討了受熱時(shí)收縮的銅-聚合物復(fù)合材料。

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員Cheng Zhu和前實(shí)驗(yàn)室博士后Wen Chen創(chuàng)建了由金和銀微粒子組成的油墨，打印后，3D零件被加熱，讓顆粒凝聚成金銀合金。這些零件被放入化學(xué)浴中，去除銀（這個(gè)過(guò)程被稱為 "dealloying"），形成多孔金。圖片由LLNL提供。

目前商用的生產(chǎn)納米打印系統(tǒng)公司包括Nanoscribe、BMF（摩方材料）、Microlight3D、Boston Micro Fabrication、Cubicure、UpNano和Swiss Litho AG。

Photonic Professional系統(tǒng)在3D微細(xì)加工方面的能力

然而，即使是這些納米級(jí)的系統(tǒng)，也可以往更加精細(xì)的方向發(fā)展。馬克斯-普朗克光科學(xué)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種被描述為原子級(jí)打印的前奏的方法。該技術(shù)將光與單個(gè)原子或拋物鏡內(nèi)的單個(gè)納米粒子耦合，從而實(shí)現(xiàn)了光波的裁剪。

然后，光的時(shí)空分布和電場(chǎng)的偏振矢量或振蕩方向可以在比光本身波長(zhǎng)更小的尺度上聚焦到物體上。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用這種方法制造出了具有獨(dú)特特性的納米結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為有可能用激光束困住單個(gè)原子，從而構(gòu)建出具有奇異原子精度的結(jié)構(gòu)。

納米和微觀尺度的3D打印可能會(huì)對(duì)處理細(xì)胞的微觀世界很有幫助，但這項(xiàng)研究的大部分內(nèi)容都是為了接下來(lái)在宏觀尺度上應(yīng)用。因此，各種科學(xué)團(tuán)隊(duì)都在努力生產(chǎn)這些納米級(jí)的物體，然后在實(shí)驗(yàn)室外部署這些納米級(jí)的物體。弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員正在研究架構(gòu)化材料在放大7個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)的行為如何變化。超越了雙光子聚合，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由納米級(jí)空心管組成的數(shù)十厘米大小的金屬部件，證明其拉伸彈性比沒(méi)有架構(gòu)化納米特征的同類產(chǎn)品高出400%。

LLNL本身已經(jīng)致力于通過(guò)大面積投影顯微立體光刻技術(shù)將納米級(jí)打印與傳統(tǒng)的立體光刻技術(shù)相結(jié)合，從而擴(kuò)大了納米打印的規(guī)模。它的發(fā)明者Bryan Moran是這樣描述的："LAPμSL系統(tǒng)在概念上類似于建造一個(gè)馬賽克，然后將其組合成一個(gè)更大的畫(huà)面。每一塊瓦片都有很多細(xì)節(jié)，它們組合在一起形成的畫(huà)面，反過(guò)來(lái)又會(huì)有更多的細(xì)節(jié)。"這是一種新的工具，可以非?？焖俚刈龀龈蟪叽绲牟糠?，而且更有用。"

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)