SA真人工程师设计的新型纳米级3D打印材料可以为卫星提供更好的结构保护, 无人驾驶飞机, 和微电子

工程师们设计了一种用于纳米级3D打印的新材料,它能够吸收两倍于其他密度相似的材料的能量,并可以用于创建更轻的保护晶格.

科幻小说设想了快速3D打印过程,可以用任意数量的材料快速创造出新的物体. 但实际上, 3D打印在可用材料的性质和类型上仍然受到限制, 特别是在小尺寸印刷时.

使用纳米级3D打印制作的微小但坚固的SA真人官网logo. (图片来源:John Kulikowski)

SA真人的研究人员已经开发出一种用于纳米级打印的新材料——创造出人类头发宽度的一小部分的结构——并使用它打印出既强又轻的微小晶格. 在论文中 发表 in 科学, 研究人员证明,这种新材料能够吸收的能量是同等密度的其他3d打印材料的两倍. 在未来, 他们的发明可以用来为脆弱的卫星部件提供更好的轻量化保护, 无人驾驶飞机, 和微电子.

“现在人们对设计不同类型的3D结构的机械性能很感兴趣,Wendy Gu说。, 机械工程助理教授,论文通讯作者. “在此基础上,SA真人官网开发了一种非常善于抵抗外力的材料, 所以它不仅仅是3D结构, 而且这种材料也能提供很好的保护.”

介绍金属纳米团簇

为3D打印设计更好的材料, 顾和她的同事们将金属纳米簇——微小的原子团块——加入到他们的打印介质中. 研究人员正在使用一种被称为双光子光刻的方法进行打印, 通过激光引发的化学反应使印刷材料硬化. 他们发现,他们的纳米簇非常善于启动这个反应,并产生了一种聚合物打印介质和金属的复合材料.

“纳米团簇具有很好的吸收激光的性能, 然后将其转化为化学反应,顾说. “他们可以用几类聚合物做到这一点, 所以它们比我想象的更多才多艺.”

研究人员能够将金属纳米团簇与丙烯酸酯结合起来, 环氧树脂, 以及蛋白质——3D打印中使用的几种常见聚合物. 此外,纳米团簇有助于加快打印过程. 通过将纳米团簇与蛋白质结合, 例如, 顾和她的同事能够以每秒100毫米的速度打印, 这比之前的纳米级蛋白质打印要快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, 有些人优先考虑承担重任的能力,而有些人则优先考虑承受冲击的能力. 纳米团簇-聚合物复合材料, 所有的结构都展示了令人印象深刻的能量吸收组合, 强度, 还有可恢复性——本质上是挤压和弹回的能力.

“晶格结构当然很重要, 但SA真人官网在这里展示的是,如果制造它的材料是优化的, 这对性能更重要,顾说. “如果你有合适的打印材料,你不必担心3D结构到底是什么.”

复制自然世界

在某些方面,顾和她的同事们正试图模仿大自然已经完善的东西. 骨, 例如, 它的弹性来自于坚硬的外表, 纳米级孔隙度, 和少量的软物质. 这是三维结构和多重的结合, 精心设计的材料可以让SA真人官网的骨骼在传递能量的同时(大多数时候)保持相对的重量. 在理想的情况下, 3d打印的防护结构也将包含多种类型的材料, 有些硬一些,有些软一些, 以更好地分散冲击和抵抗挤压.

“因为纳米簇能够聚合这些不同种类的化学物质, SA真人官网也许可以用它们在一个结构中打印多种材料,顾说. “这是SA真人官网的目标之一.”

这项研究的其他SA真人共同作者包括博士后SA真人Qi Li和Ottman A. Tertuliano; and graduate students John Kulikowski, David Doan, and Melody M. 王. 其他合著者来自西北大学. 顾也是 SA真人官网Bio-X.

这项研究由美国国家科学基金会资助, 美国化学学会石油研究基金, 以及SA真人官网研究生奖学金.

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