近些年来，3D打印技术格外火热，它正在逐渐改变着我们的生活，同时在工业、服装、建筑、汽车、航空、医疗等领域都有着深入的应用。

在工业领域当中，金属3D打印可以说是先进制造发展的一个重要方向，也是3D打印技术体系中非常有潜力的技术。

据悉，加州理工学院的研究团队开发了一种基于水凝胶注入的增材制造(AM)技术，使用双光子光刻技术生产具有约100 nm特征分辨率的3D金属。相关研究以“Suppressed Size Effect in Nanopillars with Hierarchical Microstructures Enabled by Nanoscale Additive Manufacturing”为题发表在《Nano Letters.》期刊上。

去年年底，加州理工学院的研究人员透露，他们已经开发出一种新的制造技术，可以打印出三到四张纸那么厚的微型金属部件。

现在，该团队已经重新发明了这项技术，可以打印出比原来小一千倍的物体:150纳米，相当于流感病毒的大小。在此过程中，研究小组还发现，这些物体内部的原子排列是无序的，然而，在纳米级金属物体的情况下，这种无序的原子排列比有序原子排列的类似大小的结构强3到5倍。

利用纳米级“缺陷”创造更稳定的物体

这个复杂的过程涉及水凝胶的混合物，水凝胶是一种可以吸收大量水的聚合物，然后用激光进行成型，使感光材料硬化成所需的形状。在该硬化过程之后，通过液体溶液再次引入镍的金属离子。然后金属被形成的水凝胶形状吸收，直到暴露于热量，这会烧掉水凝胶，只留下金属。在最后一步中，通过化学剥离过程从金属结构内去除或转化任何氧气，从而在金属结构中留下一系列不规则形状。然而，令人惊讶的是，这些有助于增加物体的强度，而不是削弱它。

格里尔教授说：“在这个过程中，所有这些热过程和动力学过程同时发生，它们导致了非常非常混乱的微观结构，你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度劣化的缺陷。如果你要用钢建造一些东西，比如发动机缸体，你不会希望看到这种类型的微观结构，因为它会显着削弱材料的强度。” 然而，这些不规则性（例如孔）在较大尺寸中是非常不受欢迎的，但在纳米尺度上形成了一种增强边界。该边界允许材料移动而不是破裂，并且由于这些变形在物体周围均匀分布而给予材料更多的支撑。

“通常，金属纳米柱中的变形载流子，即位错或滑移，会一直传播，直到它可以在外表面逸出，”主要研究作者、机械工程专业学生 Wenxin Zhu 继续说道，“但在存在内部孔隙的情况下，传播将很快终止于孔隙表面，而不是继续穿过整个柱子。根据经验，使变形载体成核比让它传播更困难，这解释了为什么目前的支柱可能比其对应物更坚固。”

制造不可见的或不易操作的对象

这项新技术与该团队去年宣布的另一项技术类似，但每一步都是为了在纳米尺度上工作而重新设计的。然而，这提出了一个另外的挑战:制造不可见的或不易操作的对象。

这个过程首先是准备一种光敏“鸡尾酒”混合物，主要由水凝胶组成，水凝胶是一种聚合物，可以吸收许多倍于自身重量的水。然后用激光选择性地硬化这种混合物，以建立与所需金属物体相同形状的3D支架。在这项研究中，这些物体是一系列微小的柱子和纳米晶格。

然后将水凝胶部分注入含有镍离子的水溶液。一旦混合物被金属离子饱和，它们就会被烘烤，直到所有的水凝胶都燃烧殆尽，剩下的部分虽然缩小了，但仍与原来的形状相同，完全由氧化的金属离子组成(与氧原子结合)。在最后一步中，氧原子被化学地从零件中剥离出来，将金属氧化物重新转化为金属形式。

研究人员称，在这个过程中，所有这些热和动力学过程同时发生，这导致了非常非常混乱的微观结构。会观察到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度恶化的缺陷。如果要用钢制造一些东西，比如发动机缸体，你不会希望看到这种微观结构，因为它会大大削弱材料的强度。

然而，他们的发现恰恰相反，在更大尺度上削弱金属部件的强度缺陷反而增强了纳米级部件。

研究人员认为，这是纳米级金属结构3D打印的首批演示之一。这个过程可以用来制造许多有用的成分，比如氢的催化剂;储存无碳氨和其他化学品的电极;以及传感器、微型机器人和热交换器等设备的基本部件。

最终结果提供了肉眼看不见的纳米级结构的迷人外观。Greer 教授和她的团队希望这能够带来多种用途，提高纳米级3D打印金属的耐用性，从而开辟新的研究和创新途径。

文章来源： 信仰猎手，极光创新打印机旗舰店，长三角G60激光联盟