3D打印超材料系列之纳米级3D打印

    纳米3D打印技术致力于打印特殊的纳米级生物医学和电子器件，通常用于研究目的。目前，研究人员正在研究如何通过打印微观物体来实现宏观上的物理特性变化。

    探索这些可能性的一个早期项目是由劳伦斯-利弗莫尔国家实验室（LLNL）开发的，他们使用一种投影显微光刻技术（PμSL）制造出了能够支撑1万倍于自身重量的零件。正如我们在本系列中探索的大多数超材料一样，这种深远的力量的关键在于结构的几何形状。

    LLNL材料工程师克里斯-斯帕达奇尼(Chris Spadaccini)的说法很简洁："我们的微结构材料的特性是由其微观上的几何布局决定的，而不是化学成分。"

    为了制造微晶格结构，LLNL团队使用了一种系统，将LED的紫外光投射到微镜上，微镜将光线通过一系列的光学元件反射，缩小光束的大小，并将其投射到光聚合物槽上。研究人员测试了各种晶格几何形状，发现微晶结构的刚度和强度取决于它们的密度。

    虽然聚合物树脂是他们的基础材料，但研究小组通过在树脂中添加金属、陶瓷材料，然后用热能烧掉聚合物，就能制造出金属、陶瓷微晶格结构。由此产生的物体更加坚固，同时还保持了极轻的重量。

    从这一研究基础上，LLNL以各种方式对其进行扩展。例如，LLNL将这一技术同样应用于研究如何利用超材料和3D打印来优化头盔的设计。该实验室比较了传统的弹性体泡沫材料和由3D打印的聚合物微薄层组成的超材料，确定3D打印的聚合物比传统的弹性体老化得更慢；但是3D打印的弹性体比非打印的弹性体老化得更快。其他研究还探讨了受热时收缩的铜-聚合物复合材料。

     劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究员Cheng Zhu和前实验室博士后Wen Chen创建了由金和银微粒子组成的油墨，打印后，3D零件被加热，让颗粒凝聚成金银合金。这些零件被放入化学浴中，去除银（这个过程被称为 "dealloying"），形成多孔金。

    目前商用的生产纳米打印系统公司包括Nanoscribe、BMF（摩方材料）、Microlight3D、Boston Micro Fabrication、Cubicure、UpNano和Swiss Litho AG。

    然而，即使是这些纳米级的系统，也可以往更加精细的方向发展。马克斯-普朗克光科学研究所的研究人员开发了一种被描述为原子级打印的前奏的方法。该技术将光与单个原子或抛物镜内的单个纳米粒子耦合，从而实现了光波的裁剪。

    然后，光的时空分布和电场的偏振矢量或振荡方向可以在比光本身波长更小的尺度上聚焦到物体上。该团队已经用这种方法制造出了具有独特特性的纳米结构，并认为有可能用激光束困住单个原子，从而构建出具有奇异原子精度的结构。

    纳米和微观尺度的3D打印可能会对处理细胞的微观世界很有帮助，但这项研究的大部分内容都是为了接下来在宏观尺度上应用。因此，各种科学团队都在努力生产这些纳米级的物体，然后在实验室外部署这些纳米级的物体。弗吉尼亚理工大学的研究人员正在研究架构化材料在放大7个数量级时的行为如何变化。超越了双光子聚合，该团队创造了由纳米级空心管组成的数十厘米大小的金属部件，证明其拉伸弹性比没有架构化纳米特征的同类产品高出400%。

    LLNL本身已经致力于通过大面积投影显微立体光刻技术将纳米级打印与传统的立体光刻技术相结合，从而扩大了纳米打印的规模。它的发明者Bryan Moran是这样描述的："LAPμSL系统在概念上类似于建造一个马赛克，然后将其组合成一个更大的画面。每一块瓦片都有很多细节，它们组合在一起形成的画面，反过来又会有更多的细节。"这是一种新的工具，可以非常快速地做出更大尺寸的部分，而且更有用。"