新型纳米级3D打印材料可为卫星 无人机和微电子产品提供更好的结构保护

科幻小说设想了快速的3D打印过程，可以使用任意数量的材料快速创建新对象。但实际上，3D打印在可用材料的属性和类型方面仍然受到限制，尤其是在打印非常小的尺寸时。

斯坦福大学的研究人员开发了一种用于纳米级打印的新材料——创建的结构仅为人类头发宽度的一小部分——并用它来打印既坚固又轻便的微小晶格。在发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员证明，这种新材料能够吸收的能量是密度相当的其他3D打印材料的两倍。未来，他们的发明可用于为易碎的卫星、无人机和微电子产品提供更好的轻型保护。

“现在人们对设计不同类型的3D结构以提高机械性能很感兴趣，”机械工程助理教授兼该论文的通讯作者WendyGu说。“我们在此基础上所做的是开发一种真正擅长抵抗力的材料，因此它不仅是3D结构，而且还提供了很好的保护。”

介绍金属纳米团簇

为了设计更好的3D打印材料，Gu和她的同事将金属纳米团簇(微小的原子团)融入到他们的打印介质中。研究人员正在使用一种称为双光子光刻的方法进行印刷，其中印刷材料通过激光引发的化学反应而硬化。他们发现他们的纳米团簇非常善于启动这种反应，并产生了一种由聚合物印刷介质和金属复合而成的材料。

“纳米团簇具有非常好的吸收激光的特性，然后将其转化为化学反应，”顾说。“而且他们能够用几类聚合物做到这一点，所以它们比我预期的更通用。”

研究人员能够将金属纳米团簇与丙烯酸酯、环氧树脂和蛋白质——3D打印中使用的几种常见聚合物类别结合起来。此外，纳米团簇有助于加快印刷过程。例如，通过将纳米团簇与蛋白质相结合，Gu和她的同事能够以每秒100毫米的速度打印，这比以前在纳米级蛋白质打印中实现的速度快约100倍。

研究人员用几种不同的晶格结构测试了他们的新材料，优先考虑一些材料的承载能力和吸收冲击力的能力。使用纳米团簇-聚合物复合材料，所有结构都表现出令人印象深刻的能量吸收、强度和可恢复性组合——本质上是挤压和回弹的能力。

“晶格结构当然很重要，但我们在这里展示的是，如果制造它的材料经过优化，那对性能来说就更重要了，”顾说。“如果你有合适的打印材料，你就不必担心3D结构到底是什么。”

复制自然世界

在某些方面，谷和她的同事们正试图模仿大自然已经完善的东西。例如，骨头的弹性来自坚硬的外表、纳米级孔隙度和少量软材料的组合。这种3D结构和多种精心设计的材料的组合使我们的骨骼能够在不断裂(大多数情况下)的情况下传递能量，并且仍然保持相对轻巧。理想情况下，3D打印的保护结构内部也会有多种类型的材料，一些更硬一些更软，以更好地分散冲击力并抵抗挤压。

“由于纳米团簇能够聚合这些不同类别的化学物质，我们可以使用它们在一种结构中打印多种材料，”顾说。“这是我们想要瞄准的一件事。”