对材料工程师来说，纳米结构是一个“圣杯”。由纳米级水平的合成材料组成的纳米结构有许多机械、光学和能量特质，理论上，这些特质可以撼动无数行业。不幸的是，按比例增大这些纳米结构材料到可操作的程度一直是一件挑战性十足的事情。几乎在每一个实例中，增大行为都降低了材料的结构完整性、均匀性和性能，因此破坏了它们本应由的特质。但3D打印可能为此提供了一种解决方案，因为弗吉尼亚理工大学Virginia Tech）的研究人员刚刚披露了一种用3D打印机成功地按比例增大纳米结构材料的方法。
这项突破性的研究成果是由Xiaoyu Zheng领导的一个研究团队实现的，Xiaoyu Zheng是弗吉尼亚理工大学的机械工程助理教授。该项研究成果已经在一篇名为《多尺度金属超材料Multiscale metallic metamaterials）》的论文中被详细提及，这篇论文刚刚发表在Nature Materials杂志上。研究团队成员还包括弗吉尼亚理工大学研究生Huachen Cui、Da Chen和众多来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室the Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）的合作伙伴。研究本身得到了LLNL、弗吉尼亚州的SCHEV基金和国防部高级研究项目局 the Defense Advanced Research Projects agency）的支持。
正如研究人员所说的那样，他们开创了一种创造轻而有强度的高弹性金属纳米结构的新方法。通过一个完整的七个数量级控制，这种新的3D打印方法也可以很显著地被比例增大，使纳米结构扩大到数厘米的大小。
这种突破性的3D打印方法所能实现的惊人弹性也许是它最显著的特点。这些由分层3D建筑布置和纳米级空心管组成的多尺度金属材料的弹性比传统的轻金属和泡沫陶瓷高出4倍。此外，在纳米材料里，这些多层递阶结构还具有一个最佳的表面积，这些表面积不仅放大了材料的光学和电学性能，还可以到处收集光子能——除了在像光伏板这样的顶面上收集，还能在晶格结构内部收集。
这应该为许多应用铺平了道路，研究人员借此也能模仿更广泛的天然材料。例如，许多骨结构是由从纳米级到宏观尺度的多层次3D结构组成的，而研究人员迄今都无法完全复制或控制这些3D结构。任何需要坚硬、有强度、轻而有韧性的材料的领域也都应该能从这种3D打印方法中受益。这些领域显然包括从航空航天和汽车到医疗和军事工业的任何高科技领域。
那么这种3D打印方法是如何工作的呢？从本质上讲，研究人员们3D打印出具有纳米级特征的分层晶格，以此来产生结构，这些结构反映在单个对象里的每一个尺度上。他们还采用了数字光3D打印技术，以此来兼得高分辨率和打印尺寸。之前，高分辨率和打印尺寸之间的顾此失彼被视为比例增大3D打印微米晶格和纳米晶格的主要障碍。“高分辨率和大面积的扩展性3D打印让我们能创造出这些材料，但这种扩展性不是通过双光子聚合或传统的立体光刻实现的，”研究人员写道。
Zheng和他的团队正在考虑用这项潜力无穷的新技术为非常恶劣的环境生产多功能无机材料如金属和陶瓷）。“通过新技术得到的增强的弹性和韧性，外加设计时并没有加入软聚合物，使得金属材料适合在恶劣的环境下充当灵活的传感器和电子设备，因为那样的环境要求材料必须具有耐温性和耐化学性。”Zheng 说。
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