去年年底，加州理工学院的研究人员披露了他们开发的一项新制造技术，用于打印微型金属零件，其特征尺寸约为三四张纸的厚度。

使用 Julia R. Greer 实验室开发的新技术制备的纳米级晶格。图片来源：加州理工学院

现在，该团队重新构想了这项技术，可以制造小一千倍的物体：150纳米，与流感病毒的大小相当。在这个过程中，研究小组还发现这些物体内的原子排列是无序的，这在很大程度上会使这些材料看起来脆弱和“低质量”。然而，对于纳米尺寸的金属物体，这种原子级别的混乱反而会产生相反的效果：这些部件的强度可能比具有更有序原子排列的类似尺寸结构强三到五倍。

这项工作由加州理工学院的朱莉娅·R·格里尔（Julia R. Greer）教授主导。题为“通过纳米级增材制造实现分层微结构抑制纳米柱的尺寸效应”研究论文已经发表在最新一期《纳米快报》上。

该过程首先涉及准备一种光敏混合物，其中主要成分是水凝胶，水凝胶是一种可以吸收其自身重量数倍的聚合物。然后，使用激光有选择地硬化这种混合物，以构建与所需金属物体形状相同的3D支架。在这项研究中，这些物体是一系列微小的柱子和纳米晶格。

接下来，将水凝胶部分注入含有镍离子的水溶液中。一旦这些部件被金属离子饱和，它们会被加热，直到所有的水凝胶都被烧掉，留下与原始形状相同的部件，尽管缩小了，并且完全由氧化的金属离子组成（与氧原子结合）。在最后一步中，氧原子会从零件中被化学剥离，将金属氧化物转化回金属形式。

在最后一步中，这些部件表现出了意想不到的强度。

格里尔表示：“在这个过程中，所有这些热过程和动力学过程同时发生，它们导致了非常混乱的微观结构。”“你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度恶化的缺陷。如果你要用钢建造一些东西，比如发动机缸体，你不会想看到这种类型的微观结构，因为它会显著削弱材料的强度。”

然而，格里尔表示，他们的发现却恰恰相反。许多缺陷会在更大范围内削弱金属部件，但反而会强化纳米级部件。

纳米级镍柱的不规则内部结构。图片来源：加州理工学院

当支柱没有缺陷时，会发生沿着所谓的晶界（构成材料的微观晶体相互碰撞的地方）的灾难性故障。但当材料充满缺陷时，失效就很难从一个晶界传播到下一个晶界。这意味着材料不会突然失效，因为变形在整个材料中分布得更加均匀。

张文新，该研究的主要作者之一，表示：“通常情况下，金属纳米柱中的变形载流子，即位错或滑移，会一直传播，直到它能够从外表面逃逸。”“但在存在内部孔隙的情况下，传播将很快在孔隙表面终止，而不是一直持续到整个柱子。根据经验，使变形载体成核比让它传播更难，这解释了为什么目前的支柱可能比其对应的支柱更强大。”

格里尔认为，这是纳米级金属结构3D打印的首批演示之一。她指出，该过程可用于制造许多有用的组件，例如氢气催化剂；无碳氨和其他化学品的存储电极；以及传感器、微型机器人和热交换器等设备的重要部件。

去年年底，加州理工学院的研究人员披露了他们开发的一项新制造技术，用于打印微型金属零件，其特征尺寸约为三四张纸的厚度。

使用 Julia R. Greer 实验室开发的新技术制备的纳米级晶格。图片来源：加州理工学院

现在，该团队重新构想了这项技术，可以制造小一千倍的物体：150纳米，与流感病毒的大小相当。在这个过程中，研究小组还发现这些物体内的原子排列是无序的，这在很大程度上会使这些材料看起来脆弱和“低质量”。然而，对于纳米尺寸的金属物体，这种原子级别的混乱反而会产生相反的效果：这些部件的强度可能比具有更有序原子排列的类似尺寸结构强三到五倍。

这项工作由加州理工学院的朱莉娅·R·格里尔（Julia R. Greer）教授主导。题为“通过纳米级增材制造实现分层微结构抑制纳米柱的尺寸效应”研究论文已经发表在最新一期《纳米快报》上。

该过程首先涉及准备一种光敏混合物，其中主要成分是水凝胶，水凝胶是一种可以吸收其自身重量数倍的聚合物。然后，使用激光有选择地硬化这种混合物，以构建与所需金属物体形状相同的3D支架。在这项研究中，这些物体是一系列微小的柱子和纳米晶格。

接下来，将水凝胶部分注入含有镍离子的水溶液中。一旦这些部件被金属离子饱和，它们会被加热，直到所有的水凝胶都被烧掉，留下与原始形状相同的部件，尽管缩小了，并且完全由氧化的金属离子组成（与氧原子结合）。在最后一步中，氧原子会从零件中被化学剥离，将金属氧化物转化回金属形式。

在最后一步中，这些部件表现出了意想不到的强度。

格里尔表示：“在这个过程中，所有这些热过程和动力学过程同时发生，它们导致了非常混乱的微观结构。”“你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度恶化的缺陷。如果你要用钢建造一些东西，比如发动机缸体，你不会想看到这种类型的微观结构，因为它会显著削弱材料的强度。”

然而，格里尔表示，他们的发现却恰恰相反。许多缺陷会在更大范围内削弱金属部件，但反而会强化纳米级部件。

纳米级镍柱的不规则内部结构。图片来源：加州理工学院

当支柱没有缺陷时，会发生沿着所谓的晶界（构成材料的微观晶体相互碰撞的地方）的灾难性故障。但当材料充满缺陷时，失效就很难从一个晶界传播到下一个晶界。这意味着材料不会突然失效，因为变形在整个材料中分布得更加均匀。

张文新，该研究的主要作者之一，表示：“通常情况下，金属纳米柱中的变形载流子，即位错或滑移，会一直传播，直到它能够从外表面逃逸。”“但在存在内部孔隙的情况下，传播将很快在孔隙表面终止，而不是一直持续到整个柱子。根据经验，使变形载体成核比让它传播更难，这解释了为什么目前的支柱可能比其对应的支柱更强大。”

格里尔认为，这是纳米级金属结构3D打印的首批演示之一。她指出，该过程可用于制造许多有用的组件，例如氢气催化剂；无碳氨和其他化学品的存储电极；以及传感器、微型机器人和热交换器等设备的重要部件。