Nowa technika Caltech pozwala na drukowanie złożonych struktur metalowych na nanoskali

Julia Greer, naukowiec specjalizujący się w materiałoznawstwie, która prowadzi grupę Greer i jest profesorem inżynierii materiałowej, mechaniki i inżynierii medycznej w dziale inżynierii i nauk stosowanych w Caltech, jest również ekspertem w dziedzinie drukowania bardzo małych architektur 3D. Jej grupa drukuje struktury 3D przy użyciu różnego rodzaju materiałów, takich jak związki organiczne i ceramika, i zbudowała sieci 3D z wiązkami, które mają tylko nanometry.

Dwutlenkowa litografia to technika druku 3D, która może wytwarzają nanoskalowe elementy o wielkości poniżej jednej setnej szerokości ludzkiego włosa. Drukowanie 3D w nanoskali obejmuje ten proces, w którym wysoce precyzyjny laser zapycha ciecz w określonych lokalizacjach materiału za pomocą dwóch fotonów. Ale chociaż może to powodować stwardnienie ciekłych polimerów w ciało stałe, nie okazało się ono bardzo skuteczne, jeśli chodzi o łączenie metalu.

"Metale nie reagują na światło w taki sam sposób, jak żywice polimerowe, których używamy. do produkcji konstrukcji w nanoskali. Istnieje reakcja chemiczna, która wyzwala się, gdy światło oddziałuje z polimerem, który umożliwia mu stwardnienie, a następnie uformowanie w określony kształt. W metalu proces ten jest zasadniczo niemożliwy ", wyjaśnił Greer.

Ale Andrey Vyatskikh, jeden z absolwentów Greera, nabrał kreatywności i opracował żywicę z użyciem organicznych ligandów, które są cząsteczkami wiążącymi się z metalem. Żywica składa się głównie z polimeru, ale niesie ze sobą drukowany metal 3D. Syntetyzując te organiczne rusztowania, które zawierają jony metali, był w stanie drukować metalowe struktury 3D znacznie mniejsze niż było to dotychczas możliwe.

Zespół badawczy opisał nową technikę w badaniu zatytułowanym "Addytywne wytwarzanie 3D". Nano-Architects Metals ", która została właśnie opublikowana w czasopiśmie Nature Communications; współautorami artykułu są: Vyatskikh, Stéphane Delalande z Center Technique de Vélizy we Francji, Caltech Resnick Resnick Sustainability Institute Postdoctoral Scholar Akira Kudo, Xuan Zhang z Tsinghua University w Chinach, absolwent inżynierii mechanicznej Carlos Portela i Greer. Departament Obrony sfinansował ich badania.

Streszczenie brzmi: "Większość istniejących metod produkcji dodatków (AM) metali jest z natury ograniczona do rozdzielczości ~ 20-50 μm, co sprawia, że ​​nie można ich używać do generowania złożonych obrazów 3D zadrapane konstrukcje metalowe o mniejszych właściwościach. Opracowaliśmy proces oparty na litografii, aby stworzyć złożone 3Dnanocząstki metali o rozdzielczości ~ 100 nm. Najpierw syntetyzujemy hybrydowe materiały organiczno-nieorganiczne, które zawierają klastry Ni, aby wytworzyć bogatą w metale fotorezystancję, następnie używamy litografii dwufotonowej do wyrzeźbienia trójwymiarowych rusztowań polimerowych i poddaje się pirolizie, aby ulatniać substancje organiczne, które dają> 90% wag. architektura. Prezentujemy nanolattece o geometrii oktetu, komórki o średnicy 2 μm i belki o średnicy 300-400 nm wykonane z nano-krystalicznego nanokrystalicznego Ni 20 nanometrów. Eksperymenty nanomechaniczne ujawniają ich wytrzymałość na poziomie 2,1-7,2 MPa g ^ (- 1) cm ^ 3, co jest porównywalne do architektury sieciowej wytworzonej przy użyciu istniejących procesów metalowych AM. "

Struktura została umieszczona w piecu podgrzewało to powoli do 1000 ° C w komorze próżniowej, która jest znacznie niższa od temperatury topnienia niklu, ale wystarczająco gorąca, aby odparować materiały organiczne, pozostawiając jedynie metalowe części konstrukcji. Cząstki metalu również zostały połączone razem, a podczas gdy ten wyjątkowy proces ogrzewania, zwany pirolizą, odparował dużą ilość materiału w strukturze, jego wymiary skurczyły się o 80%. Ale proporcje i kształt nadruku 3D pozostały.

Główny autor, Wjacki, wyjaśnił: "To ostateczne kurczenie się jest dużą częścią tego, dlaczego jesteśmy w stanie uzyskać tak małe struktury. W konstrukcji, którą zbudowaliśmy dla papieru, średnica metalowych belek w zadrukowanej części wynosi około 1/1000 rozmiaru końcówki igły do ​​szycia. "

Struktura opisana w artykule ma drobne zanieczyszczenia i niektóre puste przestrzenie pozostawione przez odparowane materiały organiczne, więc oczywiście technika wciąż wymaga trochę pracy. Ponadto, Greer powiedziała, że ​​proces musi zostać zwiększony w celu wyprodukowania większej ilości materiału, a ona i Vyatskikh badają, czy mogą użyć tego procesu do druku 3D innych materiałów, takich jak półprzewodniki, ceramika i materiały piezoelektryczne, a nawet materiałów, które są często używane w przemyśle, ale trudne do wykonania w małych kształtach 3D, takich jak tytan i wolfram.

Porozmawiaj o tym i innych tematach drukowania 3D na stronie 3DPrintBoard.com lub podziel się poniższymi przemyśleniami.