對(duì)材料工程師來(lái)說(shuō)，納米結(jié)構(gòu)是一個(gè)“圣杯”。由納米級(jí)水平的合成材料組成的納米結(jié)構(gòu)有許多機(jī)械、光學(xué)和能量特質(zhì)，理論上，這些特質(zhì)可以撼動(dòng)無(wú)數(shù)行業(yè)。不幸的是，按比例增大這些納米結(jié)構(gòu)材料到可操作的程度一直是一件挑戰(zhàn)性十足的事情。幾乎在每一個(gè)實(shí)例中，增大行為都降低了材料的結(jié)構(gòu)完整性、均勻性和性能，因此破壞了它們本應(yīng)由的特質(zhì)。但3D打印可能為此提供了一種解決方案，因?yàn)楦ゼ醽喞砉ご髮W(xué)(Virginia Tech)的研究人員剛剛披露了一種用3D打印機(jī)成功地按比例增大納米結(jié)構(gòu)材料的方法。

這項(xiàng)突破性的研究成果是由Xiaoyu Zheng領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)的，Xiaoyu Zheng是弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)械工程助理教授。該項(xiàng)研究成果已經(jīng)在一篇名為《多尺度金屬超材料(Multiscale metallic metamaterials)》的論文中被詳細(xì)提及，這篇論文剛剛發(fā)表在Nature Materials雜志上。研究團(tuán)隊(duì)成員還包括弗吉尼亞理工大學(xué)研究生Huachen Cui、Da Chen和眾多來(lái)自勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(the Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)的合作伙伴。研究本身得到了LLNL、弗吉尼亞州的SCHEV基金和國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局( the Defense Advanced Research Projects agency)的支持。

正如研究人員所說(shuō)的那樣，他們開(kāi)創(chuàng)了一種創(chuàng)造輕而有強(qiáng)度的高彈性金屬納米結(jié)構(gòu)的新方法。通過(guò)一個(gè)完整的七個(gè)數(shù)量級(jí)控制，這種新的3D打印方法也可以很顯著地被比例增大，使納米結(jié)構(gòu)擴(kuò)大到數(shù)厘米的大小。

這種突破性的3D打印方法所能實(shí)現(xiàn)的驚人彈性也許是它最顯著的特點(diǎn)。這些由分層3D建筑布置和納米級(jí)空心管組成的多尺度金屬材料的彈性比傳統(tǒng)的輕金屬和泡沫陶瓷高出4倍。此外，在納米材料里，這些多層遞階結(jié)構(gòu)還具有一個(gè)最佳的表面積，這些表面積不僅放大了材料的光學(xué)和電學(xué)性能，還可以到處收集光子能——除了在像光伏板這樣的頂面上收集，還能在晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)部收集。

這應(yīng)該為許多應(yīng)用鋪平了道路，研究人員借此也能模仿更廣泛的天然材料。例如，許多骨結(jié)構(gòu)是由從納米級(jí)到宏觀尺度的多層次3D結(jié)構(gòu)組成的，而研究人員迄今都無(wú)法完全復(fù)制或控制這些3D結(jié)構(gòu)。任何需要堅(jiān)硬、有強(qiáng)度、輕而有韌性的材料的領(lǐng)域也都應(yīng)該能從這種3D打印方法中受益。這些領(lǐng)域顯然包括從航空航天和汽車到醫(yī)療和軍事工業(yè)的任何高科技領(lǐng)域。

那么這種3D打印方法是如何工作的呢?從本質(zhì)上講，研究人員們3D打印出具有納米級(jí)特征的分層晶格，以此來(lái)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)反映在單個(gè)對(duì)象里的每一個(gè)尺度上。他們還采用了數(shù)字光3D打印技術(shù)，以此來(lái)兼得高分辨率和打印尺寸。之前，高分辨率和打印尺寸之間的顧此失彼被視為比例增大3D打印微米晶格和納米晶格的主要障礙。“高分辨率和大面積的擴(kuò)展性3D打印讓我們能創(chuàng)造出這些材料，但這種擴(kuò)展性不是通過(guò)雙光子聚合或傳統(tǒng)的立體光刻實(shí)現(xiàn)的，”研究人員寫道。

Zheng和他的團(tuán)隊(duì)正在考慮用這項(xiàng)潛力無(wú)窮的新技術(shù)為非常惡劣的環(huán)境生產(chǎn)多功能無(wú)機(jī)材料(如金屬和陶瓷)。“通過(guò)新技術(shù)得到的增強(qiáng)的彈性和韌性，外加設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有加入軟聚合物，使得金屬材料適合在惡劣的環(huán)境下充當(dāng)靈活的傳感器和電子設(shè)備，因?yàn)槟菢拥沫h(huán)境要求材料必須具有耐溫性和耐化學(xué)性。”Zheng 說(shuō)。