新工艺将实现纳米级金属结构的3D打印

chunyu

近日，加州理工学院开发了一项新技术，使得人们可以首次使用3D打印技术来创建复杂的纳米级金属结构。

      这项技术一旦规模化，产业化，将可以用于各种各样的产品制造中，无论是制造微小的医疗植入物、在计算机芯片上创建3-D逻辑电路，还是制造工程用超轻型飞机组件，它都可以做到。同时，基于材料的内部结构，它也打开了创建具有不同特性的新型材料的大门。该技术在Nature Communications发表的一篇研究报告中被描述（“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”）。

图1  3D打印的镍立方格子。整个结构中每层有150纳米厚，最终结构高度为6微米。（图片来自：Greer实验室）

      在3D打印中（又称增材制造），物体是逐层构建的，从而允许创建出蚀刻或铣削等传统减成方法不能完成的结构。加州理工学院材料科学家Julia Greer是利用增材制造建立超薄三维架构的先驱，她和她的团队已经打印出了三维晶格，其尺寸达纳米级，因太小肉眼无法看到。这类材料通常表现出不同寻常的，令人惊讶的特性。Greer的团队还创建出极其轻盈的陶瓷，像海绵一样，压缩后会回弹到原来的形状。

      Greer的研究小组已通过3D打印获得了各种材料的结构，从陶瓷到有机化合物。然而，对金属材料而言，却很难打印，尤其是试图打印出尺寸小于约50微米（大约人头发丝直径一半）的结构时，将十分困难。

      3D打印在纳米尺度下的工作方式是，采用高精度激光，用两个光子或光粒子将液体置于材料的特定位置。这种方式提供了足够的能量来将液体聚合物固化成固体，但还不足以熔化金属。

      加州理工学院工程与应用科学部材料科学、力学和医学工程教授Greer说：“金属对光的反应与我们用于制造纳米级结构的聚合物树脂不同。当光线与聚合物相互作用时会发生化学反应，使聚合物变硬，然后固化成特定的形状。而在金属中，这个过程根本不可能。”

      Greer的研究生Andrey Vyatskikh提出了一个解决方案。他使用有机配体和能与金属结合的分子创造出了一种主要含有聚合物的树脂，但它可以携带可被印刷的金属，像支架一样。

      在Nature Communications发表的论文中，Vyatskikh将镍和有机分子粘合在一起，形成了一种看起来很像咳嗽糖浆的液体。他们使用计算机软件设计了一个结构，然后通过双光子激光器切换液体来构建它。激光能使有机分子之间产生更强的化学键，进而将其硬化为设计好的构件。由于这些分子也能与镍原子结合，所以镍会一同被结合到构件中。通过这种方式，该团队能够打印出三维结构，该结构最初是金属离子和非金属有机分子的混合物。

      然后，Vyatskikh将构件放入一个烤箱，在真空室中将其缓慢加热到1000摄氏度（约1800华氏度）。该温度远低于镍的熔点（1455摄氏度或约2650华氏度），但足够蒸发掉结构中的有机材料，仅留下金属。一种被称为热解的加热过程也能将金属颗粒熔合在一起。

      此外，由于该工艺蒸发了大量的结构材料，使其尺寸缩小了80％，但仍能保持其形状和比例。

      在Nature Communications上发表该篇论文的主要作者Vyatskikh说道，“最后的收缩是我们为什么能够让结构变得如此之小的一个重要组成部分。在我们构建的结构中，印刷部件中金属梁的直径大约是缝纫针尖端尺寸的1/1000。”

      Greer和Vyatskikh仍在优化他们的技术。目前，论文中所报导的结构还只是包含一些空隙和微小杂质的结构。Greer说，如果将该技术用于工业，它将被用来生产更多的材料。虽然他们从镍开始，但他们有兴趣扩展到工业中常用的其它金属，但是对构建小三维形状还具有很大的挑战性甚至是不太可能，例如钨和钛。 Greer和Vyatskikh也希望使用这种工艺来打印其它材料，包括陶瓷，半导体和压电材料（具有机械应力导致电气效应的材料）。