微纳金属3D打印技术应用：AFM探针？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-05-07 00:31 标签： 3d立体金属拼图

时间： 09:52 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次

近年来，微米尺度金属增材制造技术得到了快速的发展，并广泛应用于光学、微机器人、微电子学等领域。目前，微米尺度3D金属结构可以采用聚焦电子/离子束诱导沉积、激光感应光致还原等技术直接制备而成，或者采用双光子聚合技术结合电镀技术多步制备而成。其中，基于金属离子局部电化学还原反应的电化学沉积技术被认为具有极大的优势：该技术无需进行任何后处理，而且可制备致密性好、导电、无污染的金属样件。然而，如何在保持打印分辨率的情况下提高打印速率是该技术面临的一个难题。
本研究论文是基于中空原子力显微镜(AFM)悬臂梁的金属电化学沉积3D打印系统，在保持电场电势和体素高度不变的情况下，研究了施加压力和喷嘴直径对体素水平尺寸的影响。研究结果发现，在打印过程中保持喷嘴直径不变，针对施加压力的实时调整可以实现体素面积两个数量级的跨越，并且通过改变施加压力，使用孔径为500nm的喷嘴成功制备了四根线径不同的铜线圈。基于以上研究，该技术通过精确调整体素尺寸不仅可以实现同一打印样件从亚微米级到亚毫米级的跨尺度制作，而且还可以显著提高打印速率。该技术使用铜作为金属打印材料，但同样适用于其他电镀金属。


图1. 基于中空AFM悬臂梁金属电化学沉积3D打印系统示意图及打印过程示意图


图2. 使用孔径为500nm的喷嘴打印的四根线径不同的铜线圈的SEM图，其中，a图和b图是同一结构的两种不同视图


3D生物打印技术在复杂结构和多细胞组织器官构筑方面具有不可替代的优势。生物3D打印墨水日益成为制约3D打印组织工程领域发展的瓶颈，其可打印性和物化性能，对细胞行为和命运的调控是构筑组织器官，实现再生的关键。水凝胶是含大量水的三维交联网络材料，具有类细胞外基质的特征，可用于生物3D打印。然而，水凝胶材料存在凝胶-溶胶转变慢、支撑强度弱等问题，打印精度和结构稳定性有待改善。光交联、增稠剂或支持浴等策略可部分地解决这些难题，但增加了打印工艺的复杂程度，增大了生物毒性等风险。解决水凝胶材料可打印性与结构稳定性之间的矛盾，实现温和条件下的快速打印，构筑高精度仿生组织工程支架，是生物3D打印领域亟待解决的关键科学问题。

中山大学付俊教授团队发明了由微凝胶生物3D打印墨水，研究发现，微凝胶可通过氢键组装为宏观水凝胶(bulk hydrogel)，具有典型的触变性能、快速自愈合性能和一定的机械强度，可在常温条件下直接打印构筑复杂组织工程支架(图1)。

编者按：本文转载自微信公众号 ，作者：老酒高分子


几百年来，人们一直用光学显微镜观察微观和探索眼睛看不到的世界，与19世纪的 显微镜相比，现在我们使用的普通光学显微镜功能多、自动化程度高、放大倍数高。光学显微镜已经达到了分辨率的极限，对于使用可见光作为光源的显微镜，它的分辨率只能达 到光波的半波长左右，它的分辨率极限是0.2^，任何小于0. 2pLm的结构都没法识别出 来，使人类的探索受到了限制。因此，提高显微镜分辨率的途径之一是设法减小光的波长。

进入20世纪，光电子技术得到了长足的发展，采用电子束来代替光是很好的主意。 根据德布罗意的物质波理论，运动的电子具有波动性，而且速度越快，它的“波长”越 短。如果能把电子的速度加到足够快，并且汇聚它，有可能用来放大物体。当电子的速 度加到很高时，电子显微镜的分辨率可以达到纳米级(10-9m)，使很多在可见光下看不见 的物体在电子显微镜下显现了原形。因此，电子显微镜是20世纪*重要的发明之一凶。

1938年德国工程师Max KnoU和Ernst Ruska制造出了世界上*台透射电子显微镜 ，透射电子显微术是利用穿透薄膜试样 的电子束进行成像或微区分析的一种电子显微术。可获得高度局部化的信息，是分析晶体 结构、晶体不完整性、微区成分的综合技术。

1952年英国工程师制造岀了*台扫描电子显微镜(SEM)O扫描 电子显微术电子束以光栅状方式照射试样表面，分析入射电子和试样表面物质相互作用产生的各种信息来研究试样表面微区形貌、成分和晶体学性质的一种电子显微技术。

1983年IBM公司苏黎世实验室的两位科学家发明了所 谓的扫描隧道显微镜。这种显微镜比电子显微镜更超前，它完全失去了传统显微 镜的概念。隧道扫描显微术是利用量子隧道效应 的表面研究技术。能实时、原位观察样品*表面层的局域结构信息，能达到原子级的高分辨率⑴。它没有镜头，使用一根探针，探针和物体之间加上电压。如果探针距离物体表面 很近，大约在纳米级的距离上，隧道效应*会起作用。电子会穿过物体与探针之间的空 隙，形成一股微弱的电流。如果探针与物体的距离发生变化，这股电流也会相应改变。这 样，通过测量电流我们*能知道物体表面的形状，分辨率可以达到单个原子的级别。电子 显微镜的分辨率已达到0.l~0.3nm,即与金属点阵中原子间距相当。

几十年来，随着新型电子显微镜的问世，形成了透射电子显微镜(TEM)、扫描电子 显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、扫描隧道显微镜(STM)、场离子显微镜 (FTM)、扫描激光声成像显微镜(SPAM)等电子显微镜家族。并在EBSD、探针、激光 探针、俄歇能谱仪等表面分析技术的配合下，使金相分析技术发展到一个新的阶段。电子 金相技术可对金属材料的断口形貌、组织结构以及微区化学成分等进行综合分析与测定, 进而对金属材料及其工件的质量控制、失效分析、新材料与工艺的研制等发挥着十分重要的作用。

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