美國研究人員開發(fā)出“3D生長”增材制造技術

來源：賢集網(wǎng)

據(jù)南極熊了解，美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和加州大學伯克利分校研究人員開發(fā)出“3D生長”增材制造技術，可控制晶體材料結晶形成所需結構。研究人員開發(fā)出一種名為3D聚合物接枝納米粒子（PGNP）晶體的納米顆粒復合材料。通過控制聚合物在溶液中的沉積過程，研究人員能夠控制3D PGNP晶體的大小和形狀，實現(xiàn)了從單粒子水平上控制晶體結構。待溶液完成蒸發(fā)，材料完成初步成型。該研究有望在納米級（十億分之一米）微調電子和光學設備的制造方面獲得前所未有的精度。

能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）和加州大學伯克利分校的科學家領導的一個研究小組已經(jīng)開發(fā)出一種納米粒子復合材料，可以生長成三維晶體。科學家們說，這種新材料--他們在最近發(fā)表的《自然通訊》研究中稱之為3D PGNP（聚合物接枝納米粒子）晶體--可能會帶來3D生長而非3D打印的新技術。

該研究的資深作者Ting Xu說：“我們已經(jīng)展示了一個新的杠桿，可以說是將晶體材料生長為復合材料或結構材料，應用范圍從智能建筑的納米級光子學到機器人的執(zhí)行器?！盭u是伯克利實驗室材料科學部的高級科學家，也是加州大學伯克利分?；瘜W和材料科學與工程系的教授。

徐說，他們的新方法符合大規(guī)模制造的要求。"許多聰明人已經(jīng)設計了優(yōu)雅的化學制品，如DNA和超分子，以使納米粒子結晶。我們的系統(tǒng)本質上是納米粒子和聚合物的混合體--它們類似于人們用來制造飛機機翼或汽車保險杠的成分。但更有趣的是，我們沒有想到我們的方法會如此簡單，如此快速，"徐說。

一個偶然的發(fā)現(xiàn)
主要作者錢怡文是加州大學伯克利分校徐氏小組的博士生研究員，在一次普通的實驗室實驗中偶然發(fā)現(xiàn)了3D PGNP納米晶體。

幾天前，她把甲苯溶劑和與聚苯乙烯接枝的金納米粒子（Au-PS）的溶液放在實驗室柜臺上的離心管中。當她在透射電子顯微鏡（TEM）下觀察該樣品時，她注意到了一些奇怪的東西，納米顆粒迅速結晶了。她說：“這不是一個正常的預期?！?br />
為了進行研究，徐與伯克利實驗室分子鑄造廠的科學家Peter Ercius以及伯明翰大學的Wolfgang Theis和Alessandra DaSilva合作，他們都因其在STEM（掃描透射電子顯微鏡）斷層掃描方面的專業(yè)知識而廣受贊譽，這是一種電子顯微鏡技術，利用高度集中的電子束來高分辨率地重建材料的三維結構圖像。

研究人員使用分子鑄造廠的顯微鏡，一個世界領先的STEM斷層掃描用戶設施，首先捕捉到了Au-PS納米顆粒的晶體三維模式。

為了尋找更多的線索，徐和錢隨后在加州大學伯克利分校進行了核磁共振光譜實驗，他們在那里發(fā)現(xiàn)，來自離心機管內(nèi)壁的極微量的聚烯烴分子以某種方式進入了混合物。聚烯烴，包括聚乙烯和聚丙烯，是世界上最普遍的一些塑料。

Qian重復了這個實驗，在Au-PS溶液中加入了更多的聚烯烴--這一次，他們在幾分鐘內(nèi)得到了更大的三維PGNP晶體。

Xu很驚訝。她回憶說："我想，'這不應該發(fā)生得這么快'。納米顆粒的晶體在實驗室里通常需要幾天的時間來生長。"

工業(yè)的福音：在納米級上生長材料
隨后的實驗顯示，由于甲苯溶劑在室溫下迅速蒸發(fā)，聚烯烴添加劑幫助Au-PS納米粒子形成三維PGNP晶體，并成長為它們最喜歡的晶體結構。在另一個關鍵實驗中，研究人員設計了一個自組裝的100-200納米的晶體盤，看起來像一個金字塔的底座。從這一在納米級掌握物質的驚人展示中，研究人員了解到，三維PGNP晶體的大小和形狀是由聚烯烴在溶液中沉淀時的動能驅動的。

總的來說，這些發(fā)現(xiàn) "提供了一個模型，表明你如何能夠在單粒子水平上控制晶體結構。"徐說，并補充說他們的發(fā)現(xiàn)是令人興奮的，因為它提供了對晶體在成核早期階段如何形成的新見解。

Ercius說："而這是具有挑戰(zhàn)性的工作，因為很難讓原子彼此相鄰。"

徐說，這種新方法可以讓研究人員在納米級（十億分之一米）的電子和光學設備的微調中獲得前所未有的控制。她補充說，這種納米級的精度可以加快生產(chǎn)速度，消除制造中的錯誤。

展望未來，Qian希望利用他們的新技術來探測不同晶體結構的韌性--甚至可能制造出六角形晶體。徐計劃使用他們的技術來生長更大的設備，如晶體管，或者也許用混合材料3D打印納米粒子。

"你能用不同的形態(tài)做什么？我們已經(jīng)表明，有可能從一種礦物和一種聚合物中生成一種單組分的復合材料。這真的很令人興奮。有時你只需要在正確的時間出現(xiàn)在正確的地點。"徐說。

這篇論文的共同作者包括英國伯明翰大學的Alessandra da Silva和Wolfgang Theis；加州大學伯克利分校Xu小組的一名本科生研究員Emmy Yu；以及伯克利實驗室分子鑄造廠的Christopher L. Anderson和Yi Liu。