3D列印技術大突破 加州理工大學成功印出奈米尺度的金屬

by:時穿
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加州理工學院發展出來的新技術讓 3D列印技術又更進一步,這是第一次能夠使用 3D列印出奈米尺度的金屬結構。

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隨著 3D列印技術越來越發達,現在有科學家成功利用這門技術列印出奈米尺度的金屬。

Photo: Hindrik Sijens

印出肉眼看不見的成品

本月 9號,加州理工學院在《Nature Communications》期刊上發表了一項新的工程技術,讓 3D列印技術有了重大突破:他們用 3D列印技術印出肉眼看不見的金屬。

小補充:3D列印是什麼?

3D列印就像是把東西一層一層地印出來,在印出來的同時也會往上疊高,形成一個立體的物件。如果說 3D列印是把小東西堆疊起來,最後形成一個物品,反過來的技術就是蝕刻或研磨:先有一個大的東西,再慢慢消去不要的部分只留下人們想要的東西。

向奈米尺度挑戰

加州理工大學一直都在 3D列印技術上領先一步,像是加州理工大學的材料科學家基爾(Julia Greer)就曾經利用 3D列印技術,「印」出小到無法用肉眼觀察出的奈米尺度晶格。

通常,材料在肉眼看不見的微觀尺度上都會與肉眼看得到的巨觀尺度有著截然不同的特性,使得科學家們對於奈米世界感到好奇。基爾的團隊就曾經打造過奈米尺度的超輕陶瓷,他們發現這種超輕陶瓷在奈米尺度下像是海綿一樣,擠壓之後會彈回原本的樣子,但平常生活周遭的陶瓷只要稍受撞擊就破了。

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3D列印出金屬最困難的地方就在於,金屬的化學性質和聚合物不同,沒有辦法和雷射光產生化學變化,這是3D列印之所以能一層一層疊起來最關鍵的一步。

Photo: gilles pinault

很難用3D列印印出金屬

在這個新發現之前,想要印出小於 50微米的金屬是很困難的,50微米相當於人類頭髮寬度的一半。

通常要使用 3D列印技術印出奈米尺度的東西時,會需要高精準度的雷射光,這種雷射光通常是兩個光子,才有足夠的能量讓液態的聚合物能夠和固體連接在一起。

基爾表示,光和聚合物作用時會產生化學反應,讓原先液態的聚合物變得更硬,最後形塑成特定的形狀。但如果將聚合物換成了金屬,金屬和光之間並不會產生這種反應,在理論上是不可能印出東西的。

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因為聚合物和雷射光作用時的化學性質,才能像堆積木般地層層疊起。現在研究團隊發現,只要先將金屬和有機物一起當作 3D列印的材料,再經過加熱,就能利用 3D列印技術印出金屬。

Photo: TU Delft Library

用特別的分子當作接合劑

基爾的學生維亞斯基(Andrey Vyatskikh)找到能夠印出金屬的答案:他使用了一種特別的分子當作金屬和聚合物之間的接合劑,一端是金屬,另一端是樹脂,就可以沿用 3D列印技術時聚合物和雷射光之間的化學反應,一層一層地印出想要的形狀。

先做成混合金屬和有機物的半成品

根據《Nature Communication》上的實驗說明,維亞斯基先將鎳和有機分子接在一起,形成像是咳嗽糖漿的液體,再利用電腦軟體設計出想要的結構,隨後利用雙光子雷射光照射,強化有機分子之間的化學鍵結,變硬之後就像是積木一樣可以疊起來。

別忘了這個特殊的有機分子另一端是鎳原子,鎳原子就在列印的過程中也融合在半成品當中,形成了混合著金屬和有機物的半成品。

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圖為這次研究團隊成功印出來的鎳晶格(lattice),每一層為 40奈米高,共有 150層,總高度 6微米(相當於 6,000奈米)。

Photo: Greer Lab

還要拿去加熱

維亞斯基的實驗還沒有結束!他把做出來的半成品放到一個真空的容器裡面,再拿到烤箱緩慢加熱到攝氏 1,000度。

這個溫度比鎳的熔點 (攝氏 1,455度) 小,卻又足夠讓有機物質揮發掉,就完成了只有金屬的成品。這個加熱的過程又稱為熱解(pyrolysis),有機物質揮發掉的同時,鎳金屬也會熔在一起。

成品會縮水  但形狀一樣

此外,在這個過程當中因為揮發掉了不少有機物,半成品和成品相比縮水了 80%,卻維持著原本的形狀。

維亞斯基說:「我們之所以能夠印出這麼小的結構,就是因為在最後一階段大幅縮水。」

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3D列印技術結合電腦模擬,可以設計出結構複雜、繁複的物件而備受矚目。

Photo: Williams College

應用很廣泛

這項技術未來可以應用在很多領域上,像是製作微型醫療用植入性器材、電腦晶片上的 3D迴路、或超輕的航空元件。

這項研究也開啟了另一扇門,讓科學家可以利用材料原本的特性研發出更多新型態的材料。

這項研究還沒有結束

基爾和維亞斯基的這項 3D金屬列印技術,還需要一些調整。因為在製作的過程當中,揮發有機物的過程讓成品有不少孔隙(void),所以成品在結構上有一些小缺陷。

而且在過程中因為會大幅地縮水,就表示需要先列印出更大的半成品,才能預留縮水的幅度。但這就意味著在製作過程中需要花費更多的時間、更多的材料。

基爾表示,團隊希望之後能調整其他在工業界中也很常使用的金屬,他們也想挑戰一些難以用現有技術製成微小立體形狀的鎢、鈦,看看能否運用這項技術,讓現在的不可能在未來化為可能。

上線時間:2018/02/14
增修時間:2018/02/14  修正內文


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參考資料:
01 New Process Allows 3-D Printing of Nanoscale Metal Structures
02 New process allows 3-D printing of nanoscale metal structures
03 New Technique Permits 3-D Printing of Nanoscale Metal Structures