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3D打印世界最小晶格結(jié)構(gòu)承載能力接近理論極限

童程童美 2016-11-07

不久前,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的科學(xué)家們3D打印出了世界上迄今最小的人造晶格結(jié)構(gòu),據(jù)悉該晶格的所有部分都是由玻璃碳制成的,其長(zhǎng)度低于1微米,直徑不超過200納米。與接近的超材料相比,該3D打印晶格結(jié)構(gòu)的尺寸是前者的五分之一。

摘要

不久前,德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)的科學(xué)家們3D打印出了世界上迄今最小的人造晶格結(jié)構(gòu),據(jù)悉該晶格的所有部分都是由玻璃碳制成的,其長(zhǎng)度低于1微米,直徑不超過200納米。與接近的超材料相比,該3D打印晶格結(jié)構(gòu)的尺寸是前者的五分之一。如此之小的尺度使其獲得了前所未有的強(qiáng)度/密度比,可以用于電極、過濾器或光學(xué)組件等領(lǐng)域。目前這一成果已經(jīng)被發(fā)表在《Nature Materials》雜志中。

3D打印世界最小晶格結(jié)構(gòu)承載能力接近理論極限

“輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料,比如骨頭和木頭等,在自然界中普遍存在。”該研究的第一作者,KIT的Jens Bauer博士解釋說:“它們往往擁有很高的承載能力,而且重量很輕,因此經(jīng)常被可用于技術(shù)應(yīng)用的機(jī)械超材料視作模仿的對(duì)象。”

所謂的超材料是一種人造材料,其結(jié)構(gòu)尺度往往在微米水平上,而且是專門為了擁有某些特定的機(jī)械、光學(xué)屬性而設(shè)計(jì)的,這些屬性是非結(jié)構(gòu)化的固體無法實(shí)現(xiàn)的,比如那種可以引導(dǎo)物體周圍的聲、光、熱的“隱形斗篷”;或者那種對(duì)于壓力或剪切力(拉脹材料)產(chǎn)生反直覺反應(yīng)的材料;以及具有很高的特定穩(wěn)定性的輕質(zhì)納米材料等。

據(jù)了解,該全球最小的晶格結(jié)構(gòu)是用一種已有的3D激光光刻工藝制造出來的。這種微米大小的指定結(jié)構(gòu)是由計(jì)算機(jī)控制的激光束在一種感光材料中硬化而成的。不過,這種工藝的分辨率還是有限制的,目前還只能制造出5—10微米長(zhǎng)、1微米直徑的晶格支柱。

在此之后,該晶格結(jié)構(gòu)將通過高溫分解而收縮和玻璃化。這也是首次將熱解用于制造微結(jié)構(gòu)的晶格。具體來說,該對(duì)象被放在溫度高達(dá)900攝氏度左右的真空爐中,導(dǎo)致其中的化學(xué)鍵重新定向。除了碳之外,所有元素都會(huì)溢出。這種處于收縮的晶格結(jié)構(gòu)中的無序碳元素會(huì)以玻璃碳的形式存在。最終,研究人員們?cè)趬毫Νh(huán)境中對(duì)最后獲得的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性測(cè)試。

3D打印世界最小晶格結(jié)構(gòu)承載能力接近理論極限

“測(cè)試結(jié)果表明,這種晶格的承載能力非常接近理論極限,而且遠(yuǎn)高于非結(jié)構(gòu)化的玻璃碳。”這項(xiàng)研究的共同作者Oliver Kraft教授報(bào)告說。在去年年底之前,Kraft一直是KIT應(yīng)用材料研究所的負(fù)責(zé)人。今年,他轉(zhuǎn)任KIT負(fù)責(zé)研究的副總裁。“在特定穩(wěn)定性方面,鉆石是唯一比它高的固體材料。”

據(jù)悉,微結(jié)構(gòu)材料通常被用于絕緣或減震方面的應(yīng)用。那些開孔的微結(jié)構(gòu)材料也可以用作化工行業(yè)的過濾器,除此之外,超材料也往往擁有非同尋常的光學(xué)性質(zhì),可以用于電信領(lǐng)域。玻璃碳是一種由純碳組成的高科技材料。它同時(shí)擁有玻璃、陶瓷、石墨的屬性,可用于電池的電極或者電解系統(tǒng)。

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