【引言】

    增材制造是一種能將各種材料逐層制造成三維結構的工藝，其中金屬增材制造工藝徹底改變了航空航天、汽車和醫療應用中復雜零件的生產。然而目前增材制造工藝分辨率僅為20-50μm，嚴重限制了納米級復雜3D結構金屬器件的生產。而納米級金屬具有特殊的性能，因此需開發一種制造具有宏觀總體尺寸和微觀亞微米3D金屬結構的工藝。目前等離子沉積和電子束自由成形制造之類的基于線和細絲的工藝可以生產毫米尺寸的器件，選擇性激光熔化（SLM）和激光工程網狀成形等基于粉末的工藝可將最小特征尺寸限制在20μm左右，局部電鍍或金屬離子還原方法可非常緩慢的制造分辨率小于500nm的結構，電化學制造（EFAB）允許制造分辨率為10μm的結構，但限于層厚4μm，總高度為25-50層的結構。

    【成果簡介】

    近日，美國加州理工學院Julia R. Greer（通訊作者）在Nat.Commun.上發表了一篇題為“Additive manufacturing of 3D nano-architected metals”的文章。該團隊通過合成含有鎳聚合物的雜化有機 - 無機材料，并用其制造光刻膠，利用雙光子光刻技術（TPL）以及熱解制造了分辨率為25-100納米的復雜三維金屬幾何圖形。該過程容易且可重復，為創建具有納米尺度分辨率的復雜三維金屬結構提供了有效的途徑。

    【圖文解讀】

    圖一 納米金屬增材制造工藝和樣品的SEM表征

    （a） 配體交換反應用于合成金屬前驅體；

    （b） 混合金屬前驅體，丙烯酸樹脂和光引發劑以形成富含金屬的光刻膠；

    （c） TPL工藝示意圖；

    （d） 金屬聚合物制備；

    （e） 熱解去除有機物并將聚合物轉變為金屬；

    （f-j） 代表性的SEM圖像。

    圖二 納米結構金屬的EDS表征

    （a） 熱解前SEM圖像（20μm）；

    （b） 熱解后SEM圖像（4μm）；

    （c-d） EDS成分分析；Ni含量超90%，Si為底部支撐；

    （e-h） EDS面掃描，元素沉積高均勻性。

    圖三 金屬結構TEM表征

    （a） Ni束SEM圖像，基底為200nm厚SiN薄膜；

    （b） 懸掛在SiN薄膜1.25μm孔邊緣的Ni束的低倍TEM圖像；

    （c-d） 區域電子衍射圖譜，Ni束主要由Ni納米晶與少量NiO組成；

    （e） 金屬束的HRTEM圖像；

    （f） n=40顆粒尺寸直方圖。

    圖四 納米力學測試

    （a-d） 壓縮實驗過程中Ni結構的SEM圖像；

    （e） 納米Ni的應力-應變曲線；

    （f） 不同打印方法獲得的納米Ni強度-金屬束直徑曲線。

    【小結】

    研究人員基于雙光子光刻技術開發了增材制造新工藝，分辨率達25-100nm，比其他方法打印的器件低一個量級，且不犧牲機械強度。該工藝也使適用于其他金屬的打印，對于流線型生產亞微米器件具有實際意義。

    文獻鏈接：Additive manufacturing of 3D nano-architected metals （Nat.Commun., 09 Feb, 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-03071-9）

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責任編輯：殷鵬飛

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