華裔科學家解密納米級3D打印
“激光震動壓印（laser shock imprinting）”技術是一種全新的“增材制造”，其中最為引人注目的可能是它要使用高達1或2吉帕斯卡（1吉帕斯卡=1百萬帕）的壓力。這種技術能夠在室溫條件下創(chuàng)建小至10納米的3D晶體金屬結構，而且其表面十分光滑。
這種方法能夠在一個金屬片上用納米級的3D結構組成大面積的圖案，并可能導致創(chuàng)新性的低成本規(guī)模制造方式的出現(xiàn)，比如“電漿子超穎材料（plasmonic metamaterials）”在先進技術領域的使用。所謂電漿子超穎材料是一種可定制的復合材料（一種將金屬和介電材料結合在一起的設計，以實現(xiàn)自然界中不存在的光學特性），由于這種復合材料的獨特結構，能夠實現(xiàn)很多匪夷所思的功能，比如通過控制光線穿過材料內(nèi)部的路徑以實現(xiàn)真正的隱身等。
近日發(fā)表的一篇論文——《超級光滑3D晶體金屬結構的大尺度納米成型（Large Scale Nanoshaping of Ultrasmooth 3D Crystalline Metallic Structures）》詳細介紹了這種技術，該論文稱這種技術可以實現(xiàn)更薄的金屬層以納米級的精度成型。這篇論文的作者 是Huang Gao、Yaowu Hu、Yi Xuan、Ji Li、Yingling Yang、Ramses V. Martinez、Chunyu Li、Jian Luo、Minghao Qi和 Gary J. Cheng。他們分別是普渡大學的博士生和教授、哈佛大學和馬德里高級研究所的研究員、以及加州大學圣地亞哥分校的教授。
該技術能夠制造具有統(tǒng)一納米圖案的超穎材料，并可以在其表面形成各種功能、結構、元素，從實現(xiàn)對光前所未有的控制。研究人員說，這項技術可能會導致更多的創(chuàng)新技術，如高速電子、先進傳感器和太陽能電池等。這種技術可以創(chuàng)造出獨特的金屬結晶形式，從而使材料具備“理想的機械和光學性能。”
研究人員已經(jīng)使用這種技術用鈦、鋁、銅、金、銀等金屬做材料生成了各種納米形狀，比如納米金字塔、齒輪、短板、槽和漁網(wǎng)等，據(jù)中國3D打印網(wǎng)了解，這些形狀的大小只有人的頭發(fā)寬度的幾千分之一。 這種“震動誘導成型”技術能夠非常精確地定義角度和垂直面。
“這些納米形狀也有非常光滑的表面，這非常有利于開發(fā)潛在的商業(yè)應用。傳統(tǒng)上，要將一個晶體材料變形成為一個比起始材料粒徑小很多的納米模具（nanomold）非常困難。這是因為當顆粒降到非常小的尺度時，尺寸效應使得材料的強度非常高。”普渡大學教授Gary J. Cheng說。“讓金屬流入高保真3D成型的納米模具非常具有挑戰(zhàn)性。”
Gary J. Cheng教授
Cheng補充說，他們的研究還將金屬與石墨烯結合，形成了混合結構，而這些混合材料提高了電漿子效果，形成了“超材料完美吸收體（Metamaterial Prfect Absorbers），”或MPAs。
該技術主要使用脈沖激光，產(chǎn)生“高應變速率”壓印金屬進入納米模具。
“我們一開始使用金屬薄膜，這樣我們可以將其大面積變形成為3D納米形狀。更有趣的是，壓印之后所產(chǎn)生的3D納米結構仍然是晶體，它提供了良好的電磁和光學特性。”Cheng說。
該項目由美國國家科學基金會、美國國立衛(wèi)生研究院、美國國防部威脅防御局、美國海軍研究辦公室和美國國家研究理事會支持。
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