斯坦福開發(fā)出新型納米級3D打印材料，可以為航空航天和微電子產(chǎn)品提供更好的結(jié)構保護

南極熊導讀：科幻小說設想了3D打印的快速制造過程，這種想象中的技術，可以使用任意數(shù)量的材料快速創(chuàng)建新對象。但實際上，該技術在可用材料的屬性和類型方面仍然受到很多限制，尤其是在打印非常小的尺寸構建體時仍然具有很大的挑戰(zhàn)。

△使用納米級3D打印制作的微小但堅固的斯坦福徽章

2022年11月18日，南極熊獲悉，斯坦福工程師開發(fā)出了新型納米級3D打印材料，并聲稱采用這種超級材料，3D打印制造商可以擁有更大的設計空間，而不必擔心結(jié)構是否合理之類的問題。

△這種新納米材料可以為衛(wèi)星、無人機和微電子產(chǎn)品帶來更好的結(jié)構保護

該研究人員開發(fā)了一種用于納米級打印的新材料，該材料的大小僅有人類頭發(fā)絲寬度的一小部分，并可以打印成既堅固又輕便的微小晶格。經(jīng)研究人員證明，在密度相等的情況下，這種新材料能夠吸收的能量，是其它同類3D打印材料的兩倍。未來，他們的發(fā)明可用于為易碎的衛(wèi)星、無人機和微電子產(chǎn)品提供更輕、機械強度更強的結(jié)構件。

機械工程助理教授、這篇論文的通訊作者Wendy Gu說:“現(xiàn)在人們對設計不同類型機械性能的3D打印結(jié)構很感興趣，我們在此基礎上開發(fā)了一種真正擅長抵抗力的材料，因為，它不僅是3D結(jié)構，而且還提供了很好的保護功能。”

△該研究已在發(fā)表在《科學》上，題目為“使用基于納米簇的光刻膠打印的機械納米晶格”（傳送門）

金屬納米團簇
為了設計更好的3D打印材料，Gu和她的同事將金屬納米團簇（微小的原子團）融入到他們的打印介質(zhì)中。研究人員使用了一種被稱為雙光子光刻工藝 (2PL)技術進行打印，其中打印材料通過激光引發(fā)的化學反應而硬化。由此發(fā)現(xiàn)他們的納米團簇非常善于啟動這種反應，并產(chǎn)生了一種由聚合物打印介質(zhì)和金屬復合而成的材料。

Gu說：“納米團簇具有非常好的吸收激光的特性，然后將其轉(zhuǎn)化為化學反應。而且他們能夠用幾類聚合物做到這一點，所以這種新材料比我預期的更通用?！?br />
研究人員能夠?qū)⒔饘偌{米團簇與丙烯酸酯、環(huán)氧樹脂和蛋白質(zhì)——3D打印中使用的幾種常見聚合物類別結(jié)合起來。此外，納米團簇有助于加快打印過程。例如，通過將納米團簇與蛋白質(zhì)相結(jié)合，Gu和她的同事能夠以每秒100毫米的速度打印，這比以前在納米級蛋白質(zhì)打印中實現(xiàn)的速度約快100倍。

研究人員用幾種不同的晶格結(jié)構測試了他們的新材料，優(yōu)先考慮一些材料的承載能力和吸收抗沖擊力的能力。使用納米團簇-聚合物復合材料，所有結(jié)構都表現(xiàn)出令人印象深刻的能量吸收、強度和可恢復性（本質(zhì)上是擠壓和回彈的能力）。

Gu說：“晶格結(jié)構當然很重要，但我們在這里展示的是，如果制造它的材料經(jīng)過優(yōu)化，這對性能來說更為重要。如果你有合適的打印材料，你就不必擔心3D結(jié)構到底是什么?！?br />

△Osteopore植入物的蜂窩狀微觀結(jié)構，頂視圖（左）和側(cè)視圖（右）

用3D打印模擬現(xiàn)實世界
在某些方面，Gu和她的同事們正在研究如何制造出更貼近大自然東西。例如，骨頭的彈性來自堅硬的外表、納米級孔隙度和少量軟材料的組合。這種3D結(jié)構與多種精心設計的材料相組合，使我們的骨植入物能夠在不斷裂（大多數(shù)情況下）的情況下傳遞能量，并且仍然保持相對輕巧的重量。理想情況下，3D打印的結(jié)構內(nèi)部也會涉及多種類型的材料，一些更硬一些更軟，以更好地分散沖擊力并抵抗力的擠壓。

Gu說：“由于納米團簇能夠聚合這些不同類別的化學物質(zhì)，我們可以使用它們在一種結(jié)構中打印多種材料，這是我們的重點研究方向?！?br />
該研究得到了美國國家科學基金會、美國化學學會石油研究基金和斯坦福大學研究生獎學金的資助。