当涉及3D打印时，即使是最大的结构，了解最小的细节或缺陷也可以证明成功与失败的区别。为了更好地了解3D打印物体在纳米尺度上的表现，加州理工学院 ( Caltech ) 的研究人员最近有了一项新发现，该发现催生了一种新技术，用于3D打印金属，其强度比类似尺寸的零件要强得多，肉眼是看不见的。
这项研究是由材料科学、力学和医学工程教授兼卡维里纳米科学研究所所长Julia R. Greer的实验室进行的。在 2022 年之前的实验基础上，Greer的实验室开发了一种制造工艺技术，用于打印微型金属物体，其厚度可能只有几张纸那么厚。今年，该团队将尺寸从微米尺度提升到了纳米尺度。
纳米级3D打印晶格结构
这一转变将3D打印的零件缩小到之前实验尺寸的千分之一。结果揭示了一些有些出乎意料的事情：3D打印品越小，材料在原子尺度上显得越无序。在正常尺寸的建筑中，这种无序将构成低质量的建筑，容易出现破损和其他缺陷。然而，在纳米尺度上，这些材料的无序排列导致零件的强度比具有更“有序”排列的原子的结构强三到五倍。
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。”
这些缺陷分布均匀，使得纳米级3D打印物体的脆性更小，承受能力更强
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。
原标题：加州理工学院推进纳米级3D打印金属研究
