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3D 列印技术大突破,加州理工学院成功印出奈米尺度的金属

阅读501| 发布: 2018-01-23 15:16 | 点赞: 451

3D 列印技术大突破,加州理工学院成功印出奈米尺度的金属

加州理工学院发展出来的新技术让 3D 列印技术又更进一步,这是第一次能够使用 3D 列印出奈米尺度的金属结构。

印出肉眼看不见的成品

2 月 9 日,加州理工学院在《Nature Communications》期刊发表了一项新的工程技术,让 3D 列印技术有了重大突破:他们用 3D 列印技术印出肉眼看不见的金属。

向奈米尺度挑战

加州理工学院一直都在 3D 列印技术领先一步,像是加州理工学院的材料科学家基尔(Julia Greer)就曾经利用 3D 列印技术,「印」出小到无法用肉眼观察出的奈米尺度晶格。

通常,材料在肉眼看不见的微观尺度上都会与肉眼看得到的巨观尺度有着截然不同的特性,使得科学家对于奈米世界感到好奇。基尔的团队就曾经打造过奈米尺度的超轻陶瓷,他们发现这种超轻陶瓷在奈米尺度下像海绵一样,挤压之后会弹回原本的样子,但平常生活周遭的陶瓷只要稍受撞击就破了。

3D 列印技术大突破,加州理工学院成功印出奈米尺度的金属

 3D 列印出金属最困难的地方就在于,金属的化学性质和聚合物不同,没有办法和雷射光产生化学变化,这是 3D 列印之所以能一层一层叠起来最关键的一步。

很难用 3D 列印印出金属

在这个新发现之前,想要印出小于 50 微米的金属很困难,50 微米相当于人类头髮宽度的一半。

通常要使用 3D 列印技术印出奈米尺度的东西时,会需要高精準度的雷射光,这种雷射光通常是两个质子或光子,才有足够的能量让液态的聚合物能和固体连接在一起。

基尔表示,光和聚合物作用时会产生化学反应,让原先液态的聚合物变得更硬,最后形塑成特定的形状。但如果将聚合物换成金属,金属和光之间并不会产生这种反应,理论上不可能印出东西。

3D 列印技术大突破,加州理工学院成功印出奈米尺度的金属

 因为聚合物和雷射光作用时的化学性质,才能像堆积木般层层叠起。现在研究团队发现,只要先将金属和有机物一起当作 3D 列印的材料,再经过加热,就能利用 3D 列印技术印出金属。

用特别的分子当接合剂

基尔的学生维亚斯基(Andrey Vyatskikh)找到能印出金属的答案:他使用一种特别的分子当金属和聚合物之间的接合剂,一端是金属,另一端是树脂,就可以沿用 3D 列印技术时聚合物和雷射光之间的化学反应,一层一层印出想要的形状。

先做成混合金属和有机物的半成品

根据《Nature Communication》的实验说明,维亚斯基先将镍和有机分子接在一起,形成像是咳嗽糖浆的液体,再利用电脑软体设计出想要的结构,随后利用双光子雷射光照射,强化有机分子之间的化学键结,变硬之后就像积木可叠起来。

别忘了这个特殊的有机分子另一端是镍原子,镍原子就在列印过程中也融合进半成品,形成了混合金属和有机物的半成品。

3D 列印技术大突破,加州理工学院成功印出奈米尺度的金属

这次研究团队成功印出来的镍晶格(lattice),每一层为 40 奈米高,共有 150 层,总高度 6 微米(相当于 6,000 奈米)。

还要拿去加热

维亚斯基的实验还没有结束!他把做出来的半成品放到一个真空容器,再拿到烤箱缓慢加热到摄氏 1,000 度。

这个温度比镍的熔点(摄氏 1,455 度)低,却又足够让有机物质挥发掉,就完成了只有金属的成品。这个加热过程又称为热解(pyrolysis),有机物质挥发掉同时,镍金属也会熔在一起。

成品会缩水  但形状一样

此外,过程中因挥发掉不少有机物,半成品和成品相比缩水了 80%,却维持原本的形状。

维亚斯基说:「我们之所以能印出这幺小的结构,就是因为在最后阶段大幅缩水。」

3D 列印技术大突破,加州理工学院成功印出奈米尺度的金属

3D 列印技术结合电脑模拟,可以设计出结构複杂、繁複的物件而备受瞩目。

应用很广泛

这项技术未来可应用到很多领域,像製作微型医疗用植入性器材、电脑晶片上的 3D 迴路或超轻的航空元件。

这项研究也开启了另一扇门,让科学家可以利用材料原本的特性研发出更多新型态的材料。

这项研究还没有结束

基尔和维亚斯基的这项 3D 金属列印技术,还需要一些调整。因为在製作过程中,挥发有机物的过程让成品有不少孔隙(void),所以成品在结构上有一些小缺陷。

而且因会大幅缩水,就表示需要先列印出更大的半成品,才能预留缩水的幅度。但这就意味着在製作过程中需要花费更多的时间、更多的材料。

基尔表示,团队希望之后能调整其他在工业界中也很常使用的金属,他们也想挑战一些难以用现有技术製成微小立体形状的钨、钛,看看能否运用这项技术,让现在的不可能未来化为可能。

小补充:3D 列印是什幺?

3D 列印就像把东西一层一层印出来,印出同时也会往上叠高,形成一个立体物件。如果说 3D 列印是把小东西堆叠起来,最后形成一个物品,反过来的技术就是蚀刻或研磨:先有一个大物件,再慢慢消去不要的部分,留下人们想要的东西。

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