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更精準(zhǔn)也更快速 金屬納米結(jié)構(gòu)乘上了光打印快車
2024年01月22日 11:12:25
來源：化工儀器網(wǎng) 點(diǎn)擊量：5838
金屬納米結(jié)構(gòu)材料泛指基本結(jié)構(gòu)特征尺度在納米量級(小于100納米)的單相或多相金屬材料，由于結(jié)構(gòu)特征尺寸非常細(xì)小、界面密度非常高，因此與傳統(tǒng)金屬材料相比，這類材料有著截然不同的物理性能與化學(xué)特性。也正因?yàn)榇嬖谔厥獾奶匦?，因此這類材料一經(jīng)問世就受到了廣泛關(guān)注，其中不少更是作為核心材料被應(yīng)用到了電子設(shè)備、太陽能設(shè)備、傳感器等產(chǎn)品中，直接或間接的影響了電子信息、能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
【化工儀器網(wǎng) 行業(yè)百態(tài)】金屬納米結(jié)構(gòu)材料泛指基本結(jié)構(gòu)特征尺度在納米量級(小于100納米)的單相或多相金屬材料，由于結(jié)構(gòu)特征尺寸非常細(xì)小、界面密度非常高，因此與傳統(tǒng)金屬材料相比，這類材料有著截然不同的物理性能與化學(xué)特性。也正因?yàn)榇嬖谔厥獾奶匦?，因此這類材料一經(jīng)問世就受到了廣泛關(guān)注，其中不少更是作為核心材料被應(yīng)用到了電子設(shè)備、太陽能設(shè)備、傳感器等產(chǎn)品中，直接或間接的影響了電子信息、能源等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
但與此同時，構(gòu)建金屬納米結(jié)構(gòu)材料的方式卻又十分復(fù)雜。一方面，金屬在加工的過程中會面臨強(qiáng)度和塑性之間的矛盾，簡單的說就是此消彼長。因此在傳統(tǒng)工藝中，往往會根據(jù)實(shí)際使用需求來調(diào)整材料的特性。而到了金屬納米結(jié)構(gòu)材料上，反應(yīng)出來的就是數(shù)倍于傳統(tǒng)粗晶材料的強(qiáng)度以及因此出現(xiàn)的塑性降低情況。塑性降低也意味著金屬加工難度的增加以及一些特殊用途的缺失。另一方面便是納米級加工本身的難點(diǎn)。簡單的說就是高精度要求下對于加工設(shè)備的高要求。
針對這兩個問題，前者在近幾年得到了突破，國內(nèi)外科學(xué)家均對強(qiáng)度和塑性之間矛盾出現(xiàn)的原因進(jìn)行了細(xì)致研究，并在研究中逐漸尋找到了解決的方法，例如此前西北工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)就曾圍繞固態(tài)相變和晶粒長大的共生現(xiàn)象，提出了引入非均質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)納米晶材料高強(qiáng)高塑的思路。
而后者的解決途徑其實(shí)更簡單——飛秒激光。飛秒激光的高能脈沖直接作用于材料，實(shí)現(xiàn)三維的、深納米尺度分辨率和任意結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無掩模板加工。這一特點(diǎn)使其可以勝任金屬納米結(jié)構(gòu)的加工工作。概括來說就是兼顧高精度、高度設(shè)計(jì)性和高度功能化的優(yōu)勢。但是這種技術(shù)有一個比較嚴(yán)重的商業(yè)化難題——成本。飛秒激光工具價格高達(dá)50萬美元，高昂的成本甚至實(shí)驗(yàn)室和企業(yè)都望而卻步，也因此使其成為了局限金屬納米結(jié)構(gòu)材料發(fā)展的核心問題之一。
而就在最近，一項(xiàng)新的研究似乎給出了一種不同于飛秒激光的全新思路或許能帶來改變，同樣是用光，新技術(shù)更快且局限性更小。
美國佐治亞理工學(xué)院研究人員開發(fā)出一種基于光的打印金屬納米結(jié)構(gòu)的方法。這種方法的特點(diǎn)就是更快、更便宜，理論上可以以1/35的成本，耗費(fèi)1/480的時間，完成原本的加工工作。
據(jù)悉，研究團(tuán)隊(duì)使用超輻射發(fā)光二極管(SLED)代替了飛秒激光器。盡管這種光源光強(qiáng)度僅僅只有飛秒激光器的十億分之一，但是成本卻非常低廉。而為了保證SLED能夠完成高精度打印的工作，研究人員設(shè)計(jì)了一種將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像在玻璃表面顯示的系統(tǒng)，并開發(fā)了一種由金屬鹽組成的透明墨水溶液，并添加了其他化學(xué)物質(zhì)，以確保液體能夠吸收光線。
新系統(tǒng)可以利用超輻射光線的獨(dú)特性質(zhì)聚焦清晰的圖像，而特殊溶劑則可以與投影系統(tǒng)發(fā)出的光線產(chǎn)生“互動”，在受到照射后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將鹽溶液轉(zhuǎn)化為金屬。這個過程中，金屬納米顆粒能夠附著在玻璃表面，顆粒的團(tuán)聚形成了納米結(jié)構(gòu)。
目前這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要有兩個，一個是前文提過的低廉的成本，另一個就是投影式打印可以一次打印整個結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，或者更直接地說就是優(yōu)秀的打印速度。但是同時也存在一個問題——聚焦，在開始工作前必須保證圖像是清晰聚焦的。
盡管我們目前無法證明新技術(shù)的實(shí)用價值，但是它確實(shí)提供了一種不同于傳統(tǒng)光打印的思路。乘上了光打印的快車，金屬納米結(jié)構(gòu)或許在未來能夠收獲一種又快又便宜又便利的加工思路，至少現(xiàn)在各個研究場所已經(jīng)開始嘗試了。
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