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更精準也更快速 金屬納米結構乘上了光打印快車
2024年01月22日 11:12:25
來源：化工儀器網 點擊量：5845
金屬納米結構材料泛指基本結構特征尺度在納米量級(小于100納米)的單相或多相金屬材料，由于結構特征尺寸非常細小、界面密度非常高，因此與傳統金屬材料相比，這類材料有著截然不同的物理性能與化學特性。也正因為存在特殊的特性，因此這類材料一經問世就受到了廣泛關注，其中不少更是作為核心材料被應用到了電子設備、太陽能設備、傳感器等產品中，直接或間接的影響了電子信息、能源等產業的發展。
【化工儀器網 行業百態】金屬納米結構材料泛指基本結構特征尺度在納米量級(小于100納米)的單相或多相金屬材料，由于結構特征尺寸非常細小、界面密度非常高，因此與傳統金屬材料相比，這類材料有著截然不同的物理性能與化學特性。也正因為存在特殊的特性，因此這類材料一經問世就受到了廣泛關注，其中不少更是作為核心材料被應用到了電子設備、太陽能設備、傳感器等產品中，直接或間接的影響了電子信息、能源等產業的發展。
但與此同時，構建金屬納米結構材料的方式卻又十分復雜。一方面，金屬在加工的過程中會面臨強度和塑性之間的矛盾，簡單的說就是此消彼長。因此在傳統工藝中，往往會根據實際使用需求來調整材料的特性。而到了金屬納米結構材料上，反應出來的就是數倍于傳統粗晶材料的強度以及因此出現的塑性降低情況。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。簡單的說就是高精度要求下對于加工設備的高要求。
針對這兩個問題，前者在近幾年得到了突破，國內外科學家均對強度和塑性之間矛盾出現的原因進行了細致研究，并在研究中逐漸尋找到了解決的方法，例如此前西北工業大學團隊就曾圍繞固態相變和晶粒長大的共生現象，提出了引入非均質結構實現納米晶材料高強高塑的思路。
而后者的解決途徑其實更簡單——飛秒激光。飛秒激光的高能脈沖直接作用于材料，實現三維的、深納米尺度分辨率和任意結構設計的無掩模板加工。這一特點使其可以勝任金屬納米結構的加工工作。概括來說就是兼顧高精度、高度設計性和高度功能化的優勢。但是這種技術有一個比較嚴重的商業化難題——成本。飛秒激光工具價格高達50萬美元，高昂的成本甚至實驗室和企業都望而卻步，也因此使其成為了局限金屬納米結構材料發展的核心問題之一。
而就在最近，一項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，新技術更快且局限性更小。
美國佐治亞理工學院研究人員開發出一種基于光的打印金屬納米結構的方法。這種方法的特點就是更快、更便宜，理論上可以以1/35的成本，耗費1/480的時間，完成原本的加工工作。
據悉，研究團隊使用超輻射發光二極管(SLED)代替了飛秒激光器。盡管這種光源光強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，研究人員設計了一種將數字圖像轉換為光學圖像在玻璃表面顯示的系統，并開發了一種由金屬鹽組成的透明墨水溶液，并添加了其他化學物質，以確保液體能夠吸收光線。
新系統可以利用超輻射光線的獨特性質聚焦清晰的圖像，而特殊溶劑則可以與投影系統發出的光線產生“互動”，在受到照射后發生化學反應，將鹽溶液轉化為金屬。這個過程中，金屬納米顆粒能夠附著在玻璃表面，顆粒的團聚形成了納米結構。
目前這項技術的優點主要有兩個，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構的優勢，或者更直接地說就是優秀的打印速度。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的實用價值，但是它確實提供了一種不同于傳統光打印的思路。乘上了光打印的快車，金屬納米結構或許在未來能夠收獲一種又快又便宜又便利的加工思路，至少現在各個研究場所已經開始嘗試了。
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