3D打印超材料系列之納米級3D打印

魔猴君  行業資訊   1829天前

作為3D打印超材料系列的一部分，本文將繼續探討納米3D打印技術，據魔猴網了解，納米3D打印技術致力于打印特殊的納米級生物醫學和電子器件，通常用于研究目的。目前，研究人員正在研究如何通過打印微觀物體來實現宏觀上的物理特性變化。

探索這些可能性的一個早期項目是由勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室（LLNL）開發的，他們使用一種投影顯微光刻技術（PμSL）制造出了能夠支撐1萬倍于自身重量的零件。正如我們在本系列中探索的大多數超材料一樣，這種深遠的力量的關鍵在于結構的幾何形狀。

LLNL材料工程師克里斯-斯帕達奇尼(Chris Spadaccini)的說法很簡潔："我們的微結構材料的特性是由其微觀上的幾何布局決定的，而不是化學成分。"

為了制造微晶格結構，LLNL團隊使用了一種系統，將LED的紫外光投射到微鏡上，微鏡將光線通過一系列的光學元件反射，縮小光束的大小，并將其投射到光聚合物槽上。研究人員測試了各種晶格幾何形狀，發現微晶結構的剛度和強度取決于它們的密度。

雖然聚合物樹脂是他們的基礎材料，但研究小組通過在樹脂中添加金屬、陶瓷材料，然后用熱能燒掉聚合物，就能制造出金屬、陶瓷微晶格結構。由此產生的物體更加堅固，同時還保持了極輕的重量。

從這一研究基礎上，LLNL以各種方式對其進行擴展。例如，LLNL將這一技術同樣應用于研究如何利用超材料和3D打印來優化頭盔的設計。該實驗室比較了傳統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收縮的銅-聚合物復合材料。

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究員Cheng Zhu和前實驗室博士后Wen Chen創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浴中，去除銀（這個過程被稱為 "dealloying"），形成多孔金。圖片由LLNL提供。

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

Photonic Professional系統在3D微細加工方面的能力

然而，即使是這些納米級的系統，也可以往更加精細的方向發展。馬克斯-普朗克光科學研究所的研究人員開發了一種被描述為原子級打印的前奏的方法。該技術將光與單個原子或拋物鏡內的單個納米粒子耦合，從而實現了光波的裁剪。

然后，光的時空分布和電場的偏振矢量或振蕩方向可以在比光本身波長更小的尺度上聚焦到物體上。該團隊已經用這種方法制造出了具有獨特特性的納米結構，并認為有可能用激光束困住單個原子，從而構建出具有奇異原子精度的結構。

納米和微觀尺度的3D打印可能會對處理細胞的微觀世界很有幫助，但這項研究的大部分內容都是為了接下來在宏觀尺度上應用。因此，各種科學團隊都在努力生產這些納米級的物體，然后在實驗室外部署這些納米級的物體。弗吉尼亞理工大學的研究人員正在研究架構化材料在放大7個數量級時的行為如何變化。超越了雙光子聚合，該團隊創造了由納米級空心管組成的數十厘米大小的金屬部件，證明其拉伸彈性比沒有架構化納米特征的同類產品高出400%。

LLNL本身已經致力于通過大面積投影顯微立體光刻技術將納米級打印與傳統的立體光刻技術相結合，從而擴大了納米打印的規模。它的發明者Bryan Moran是這樣描述的："LAPμSL系統在概念上類似于建造一個馬賽克，然后將其組合成一個更大的畫面。每一塊瓦片都有很多細節，它們組合在一起形成的畫面，反過來又會有更多的細節。"這是一種新的工具，可以非常快速地做出更大尺寸的部分，而且更有用。"

來源：中國3D打印網