微纳世界最好金属3d打印印技术应用：AFM探针

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2021-02-24 10:59 标签： 世界最好金属3d打印

《》讯/当“岂止于大”变成一句ロ号大尺寸的3D打印也层出不穷，然而当人类将目光从宏伟与巨大中收回来时发现微观世界中其实隐藏着更多的信息，好在科学家们已經在纳米尺度上对3D打印也有了突破性的研究并且许多科研机构已经将纳米3D打印技术作为重点研究项目。（1纳米=0.000001毫米人类的头发一般大概在5纳米之间）

皇家墨尔本理工大学拥有世界首台纳米级3D打印机 

据悉，澳大利亚皇家墨尔本理工大学发布的这款研究设备价值高达3000万美元该大学称之为“世界第一部”纳米级快速3D打印机。

其设备区域面积达1200平方米3D纳米级打印机数秒内能制作出几千种模型结构，每种结构呮有人类头发那么细

MNRF主管James Friend 称，有10支研究团队将会对该此新设备展开一系列项目研究 Friend同时还是电气及计算机工程研究所的高级研究员，怹认为：“该设备就是为了让研究人员能在纳米层级的界面上能尽可能发挥想象来研发新技术。”

Nanoscibe已有了商业化3D微型打印机：最小可达30納米

德国创业公司Nanoscibe发布了一款3D微型打印机利用近红外激光来打印超小结构，最小可达打印30纳米这台设备使用红外激光束，通过三维移動凝结光敏材料形成想要的形状。

这种叠加制造系统速度远远快于目前技术水平，它可以用来打印医疗器械部件电子机械系统，机器人模型（小到可以放在针头上！）是第一款商业化的纳米级3D打印机。

韩国科学家开发出纳米级3d打印笔hyper

韩国高丽大学的seongpil hwang以及他领导的研究团队制造出了这款的新设备

“据我们所知，我们的水凝胶3d打印笔是一种首创”hwang介绍这台设备时说。“不过我们还是受到三种技术嘚启发：美国西北大学chad mikin开发的蘸笔光刻（dip-pen lithography）技术；英国warwick大学patrick unwin开发的纳米吸量管（nanopipettes）；以及美国哈佛大学jennifer

这是第一款在纳米尺度工作的3d打印筆。笔尖有一个微观的水凝胶金字塔其最尖端被浸泡在电化学反应驱动的电解液里。据了解它的工作原理是水凝胶的尖端和超微电极の间形成一个纳米级的接触面。有一个纳米定位系统来确保这款3d打印笔在应用时的精度并以规范在进行电镀时的法拉第吸附反应。

这种納米级的3d打印笔可以创建尺寸小于100纳米的3d结构hwang和他的团队在测试时用这台设备成功地将十分细微的铂金沉积到了黄金电极上。

通过水凝膠笔生成的纳米级铂金形状

美国橡树岭国家实验室使纳米3D打印更精确可控

美国橡树岭国家实验室（ORNL）与田纳西大学、Graz技术大学进行合作開发出了一种基于仿真的强大工艺，用来改善FEBID（聚焦电子束诱导沉积技术）技术可帮助用户控制，监视并最终提供FEBID纳米打印精度。

FEBID通過使用一个扫描式电子显微镜把电子束缩小至纳米级把气态分子转变成微细固体沉积物表面上的一种增材制造技术，也是目前唯一能制慥出高保真3D纳米结构的技术

在进行时，研究人员只能依靠不断试错手动调整生成参数，以生成所需的形状

新工艺引入了3D仿真技术来指导电子束，复制尺度在10纳米到1微米之间的复杂晶格和网格这种模式会跟踪电子散射路径以及二次电子的释放，来预测材料表面的沉积圖案以及可视化实验的最终结构。

美国高校研发纳米晶体油墨用于3D打印晶体管

晶体管是电子产品中最基本的构建单元，但制造晶体管卻高度复杂需要高温、高真空的设备。

美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师在该校工程和应用科学学院 Cherie Kagan教授的带领下已经找到了一种制造新方法：将一种液体纳米晶体以“墨水”的形式用3D打印机顺序沉积其部件

据悉，Kagan的团队总共开发出了一组四种油墨分别是：一种导体（银）、一种绝缘体（氧化铝）、一种半导体 （硒化镉），以及一种结合了掺杂剂的导体（银和铟的混合物）科学家们可以通过向晶体管的半导体层掺杂杂质来控制装置传送正或负的电荷。

科学家借助3D打印将优质纳米金属放大至宏观尺度 

弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）机械工程助理教授Xiaoyu Zheng领导的一个研究团队实现一种用3D打印机成功地按比例增大纳米结构材料的方法

他们制造出轻而有强度的高弹性金属纳米结构，并且将其成功按比例放大至数厘米

据悉，这些由分层3D建筑布置和纳米级空心管组成的多尺度金属材料的弹性比传统的轻金属和泡沫陶瓷高出4倍此外，在纳米材料里这些多层递阶结构的表面积不仅放大了材料的光学和电学性能，还可以到处收集光子能——除了在像光伏板这样嘚顶面上收集还能在晶格结构内部收集。

研究人员借此能模仿更广泛的天然材料例如，许多骨结构是由从纳米级到宏观尺度的多层次3D結构组成的而研究人员迄今都无法完全复制或控制这些3D结构。任何需要坚硬、有强度、轻而有韧性的材料的领域也都应该能从这种3D打印方法中受益

德国科学家直接用3D打印纳米级AFM探针

原子力显微镜（AFM）使科学家能够在原子水平上研究表面。基本原理是使用悬臂上的一个探針来“感受”样本的形态这种探针设计非常独特——或者非常长，或者形状很特殊因此制造成本非常高。

现在德国卡尔斯鲁厄理工學院（KIT）的一个研究小组开发出了一种新技术，该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针

双光子聚合是一种3D打印技術，可以实现分辨率非常出色的构建效果它使用一种强心红外飞秒激光脉冲来激发可用紫外线光固化的光阻剂材料。这种材料可促进双咣子吸附从而引发聚合反应。在这种方式中自由设计的组件可以在预计的地方被精确的3D打印，包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体

據该团队介绍，小探针的半径已经小到25纳米了这大约是人类一根头发宽度的三千分之一，任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁仩使用

艺术家用3D打印超小纳米雕塑

这批比人类头发丝还要细小的雕塑耗费了艺术家近十个月的时间去设计、雕刻和绘制，而最终的成品吔只有通过显微镜才有可能看的到

与针孔相对比的纳米雕塑

与人类精子（右上角）对比

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一迈（IEMAI）基于高性能材料3D打印的技术经验拓展到间接世界最好金属3d打印印，这是多材料兼容的一次突破

基于MIM原理的间接世界最好金属3d打印印技术，是使用金属线材通过FFF工艺打印为生胚体，再经过脱脂烧结最终制备为直接使用的金属制件。

进入新领域一迈深入学习、探究、测试、实践

 1、研发线材：对于不同工艺、不同形状、不同大小的金属粉末做了深入调研以及测试，目前研发版本的金属线材已经成功测试；

 2、打印设备：基于一邁对高性能材料3D打印的经验积累我们测试了金属打印的不同参数和挤出结构，目前稳定打印且保持良好的尺寸精度和表面效果；

 3、脱脂燒结：在脱脂烧结工艺方面我们请教了业内人士，查阅了资料并且进行反复测试，核心解决控制精度（收缩比例）、提高致密性和提高制件性能传统的脱脂和烧结的设备相对比较大型，为适合3D打印市场还专门定制开发小型脱脂烧结设备。

间接金属3D打印仍有很多突破點和需求真正实现低成本、高精度、高性能的桌面间接金属3D打印，是一迈未来努力的方向同时欢迎更多专业人士共同探讨研究，为间接金属3D打印培育市场应用这需要整个行业的努力。

尽管仿生材料发展蓬勃但依然佷难媲美天然软组织所具有的特性。例如天然软组织能够通过结构和局部组分变化的相互作用展现出的独特力学性能。而相比之下目湔的合成软材料还未在这一水平实现可控性，严重限制了合成软材料的进一步发展应用

针对这一问题，瑞士洛桑联邦理工学院的Esther Amstad团队开發了可以制造强韧双网络颗粒水凝胶（DNGHs）的3D打印策略研究人员在单体溶液中加入聚电解质基微凝胶（可在单体溶液中进行溶胀）形成墨沝材料；当墨水经过增材制造后，这些单体可紫外固化转变形成逾渗网络并与微凝胶网络一同形成DNGHs。由于改善了微凝胶网络中的颗粒间接触表现和双网络结构的存在 DNGHs的硬度显著提高，可重复支持高达1.3MPa的拉伸载荷；其韧性也比单原料聚合物网络高出一个数量级研究认为，这一新型DNGHs的出现为设计可用于软机器制造等先进领域的高强韧水凝胶提供了新思路相关工作以“3D Printing of Strong and Tough Double Network Granular

微凝胶墨水的设计和制备

在文章研究嘚DNGHs体系中，引入了聚电解质基微凝胶以赋予合成水凝胶“组分局部变化”这一天然软组织材料特性然而，微凝胶接触面小常常导致形荿的超结构强度低。因此为了提升水凝胶的力学性能研究合成了具有高溶胀能力的丙磺酸类（AMPS）微凝胶。形成微凝胶后研究人员将其置于丙烯酰胺（AM）单体水溶液中；在该溶液中，微凝胶能够溶胀加大接触面以保证良好的颗粒间粘附。在3D打印后AM单体经过紫外固化可轉变形成逾渗的PAM网络，与优化过的微凝胶一同形成力学性能优异的DNGHs

DNGHs的力学性能表征

研究首先比较发现，DNGHs的硬度和韧性要优于AMPS基水凝胶和AM基水凝胶检测显示，DNGHs的杨氏模量分别比AMPS基水凝胶和AM基水凝胶高5倍和3倍研究认为，这一性能提升主要归因于AM聚合物（PAM）链和微凝胶网络能够限制链纠缠现象从而约束了取代行为。此外DNGHs的断裂强度也比AMPS基水凝胶和AM基水凝胶高十倍以上，表明DNGHs具有优异的韧性

研究还探索叻DNGHs的潜在应用。通过改变微凝胶中所含组分类别研究人员合成了多种微凝胶；将这些微凝胶混合并置于同一单体溶液中可形成多样化墨沝。这样一来墨水就具有多种含不同组分的微凝胶，；在经过3D打印后即可形成含有多种组分和特性的复杂结构为了验证可行性，研究囚员利用具有多种交联密度（即溶胀能力不同）微凝胶的多样化墨水体系成功打印了双层形貌渐变花朵结构。由于花朵的双层结构是由兩种交联密度不同的微凝胶层组成的因此在经过干燥或者水浸没处理后，花朵可实现重复折叠现象

该工作介绍了一种高强韧复合水凝膠的增材制造策略。该策略将微凝胶的流变性能和双网络水凝胶的力学性能结合在一起成功地3D打印出了高强韧水凝胶材料。因此这一笁作扩展了可3D打印的高强度复杂材料体系。不仅如此该工作开发的墨水具有设计灵活和打印结构可控的特点，为设计制造可响应外部刺噭而进行局部调整的新型软机器和植入体提供了新的可能性

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