Teknik til 3D-print af metaller på nanoskala afslører overraskende fordele
I slutningen af sidste år afslørede Caltech-forskere, at de havde udviklet en ny fremstillingsteknik til udskrivning af metaldele i mikrostørrelse, der indeholder træk omkring så tykke som tre eller fire ark papir.
Nu har holdet genopfundet teknikken for at give mulighed for at udskrive objekter tusind gange mindre:150 nanometer, hvilket kan sammenlignes med størrelsen af en influenzavirus. Ved at gøre det opdagede holdet også, at atomarrangementerne i disse objekter er uordnede, hvilket i stor skala ville gøre disse materialer ubrugelige, fordi de ville blive betragtet som svage og "lav kvalitet". I tilfælde af metalgenstande i nanostørrelse har dette rod på atomniveau imidlertid den modsatte effekt:disse dele kan være tre-til-fem gange stærkere end strukturer af tilsvarende størrelse med mere velordnede atomarrangementer.
Arbejdet blev udført i laboratoriet af Julia R. Greer, Ruben F. og Donna Mettler professor i materialevidenskab, mekanik og medicinsk teknik; og Fletcher Jones Foundation-direktør for Kavli Nanoscience Institute. Papiret, der beskriver værket, "Undertrykt størrelseseffekt i nanopiller med hierarkiske mikrostrukturer aktiveret af additiv fremstilling i nanoskala," er udgivet i augustudgaven af Nano Letters .
Den nye teknik ligner en anden, der blev annonceret af holdet sidste år, men med hvert trin i processen omtænkt til at fungere på nanoskala. Dette giver dog en yderligere udfordring:de fremstillede genstande er ikke synlige for det blotte øje eller let manipulerbare.
Processen starter med at lave en lysfølsom "cocktail", der i høj grad består af en hydrogel, en slags polymer, der kan absorbere mange gange sin egen vægt i vand. Denne cocktail hærdes derefter selektivt med en laser for at bygge et 3D-stillads i samme form som de ønskede metalgenstande. I denne forskning var disse objekter en række små søjler og nanogitter.
Hydrogeldelene infunderes derefter med en vandig opløsning indeholdende nikkelioner. Når delene er mættet med metalioner, bages de, indtil al hydrogelen er brændt ud, og efterlader dele i samme form som originalen, dog krympet, og udelukkende består af metalioner, der nu er oxideret (bundet til oxygenatomer). I det sidste trin fjernes oxygenatomerne kemisk fra delene, hvilket omdanner metaloxidet tilbage til en metallisk form.
I det sidste trin udvikler delene deres uventede styrke.
"Der er alle disse termiske og kinetiske processer, der foregår samtidigt under denne proces, og de fører til en meget, meget rodet mikrostruktur," siger hun. "Man ser defekter som porer og uregelmæssigheder i atomstrukturen, som typisk anses for at være styrkeforringende defekter. Hvis man skulle bygge noget af stål, f.eks. en motorblok, ville man ikke have lyst til at se denne type mikrostrukturer. fordi det ville svække materialet markant."
Greer siger dog, at de fandt præcis det modsatte. De mange defekter, der ville svække en metaldel i større skala, styrker i stedet delene på nanoskala.
Når en søjle er fri for defekter, sker der en katastrofal fejl langs det, der er kendt som en korngrænse – stedet, hvor de mikroskopiske krystaller, der udgør materialet, støder op mod hinanden.
Men når materialet er fyldt med fejl, kan et svigt ikke let forplante sig fra den ene korngrænse til den næste. Det betyder, at materialet ikke pludselig svigter, fordi deformationen bliver fordelt mere jævnt i hele materialet.
"Normalt forplanter deformationsbæreren i metalnanopiller - det vil sige en dislokation eller glidning - indtil den kan undslippe på den ydre overflade," siger Wenxin Zhang, hovedforfatter af værket og en kandidatstuderende i maskinteknik. "Men ved tilstedeværelse af indre porer vil udbredelsen hurtigt ende ved overfladen af en pore i stedet for at fortsætte hele vejen gennem hele søjlen. Som tommelfingerregel er det sværere at kerneforme en deformationsbærer end at lade den forplante sig, men i stedet for at fortsætte hele vejen gennem hele søjlen. forklarer, hvorfor de nuværende søjler kan være stærkere end deres modstykker."
Greer mener, at dette er en af de første demonstrationer af 3D-print af metalstrukturer på nanoskala. Hun bemærker, at processen kunne bruges til at skabe mange nyttige komponenter, såsom katalysatorer til brint; lagringselektroder til kulfri ammoniak og andre kemikalier; og væsentlige dele af enheder såsom sensorer, mikrorobotter og varmevekslere.
"Vi var oprindeligt bekymrede," siger hun. "Vi tænkte:'Åh min, denne mikrostruktur vil aldrig føre til noget godt', men tilsyneladende havde vi ikke en grund til at bekymre os, fordi det viser sig, at det ikke engang er en skade. Det er faktisk en funktion."
Flere oplysninger: Wenxin Zhang et al., Undertrykt størrelseseffekt i nanopiller med hierarkiske mikrostrukturer aktiveret af additiv fremstilling i nanoskala, nanobogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02309
Journaloplysninger: Nanobreve
Leveret af California Institute of Technology
Varme artikler
-
Forskere opdager, at den konstante krumningsvinkel er årsagen til, at nanobobler er stabileHvis et vandafvisende substrat nedsænkes i vand indeholdende opløst gas, der kan dannes små bobler på den nedsænkede krop. Disse såkaldte overfladenanobobler dukker op, fordi den omgivende væske ønske -
Meget begrænset transport af lysenergi over lange afstande ved hjælp af netværk af guld nanoparti…Et 750 nanometer langt netværk af guld nanopartikler (gul). Farverne rundt om netværket viser, hvor forskellige farver af lys er lokaliseret. Kredit:A*STAR Institute of Materials Research and Engineer -
Clathrin som et bioteknisk substrat:Immobilisering og funktionaliseringMontering af clathrin gitter på forskellige overflader. Kredit:(c) 2015 Naturnanoteknologi , DOI:10.1038/NNANO.2015.206 (Phys.org)-Baseparringsegenskaberne for DNA, kombineret med vores evner ti -
Kræftfyldt trafikprop:Identificeret biomekanisk faktor ved maligniteterPå kunstige membraner indlejret med guld nanodotter, ikke-invasive kræftceller binder kun til nanodotterne og bliver immobiliserede, mens invasive celler binder til membranen samt nanodotterne, der sk
- Sådan beregnes Grade Scales
- Ammoniumnitrat og jod:Et tilbageblik på den eksplosive historie med to essentielle stoffer
- Et nyt kulstofmateriale med Na -lagerkapacitet over 400mAh/g
- Nordlige majsbladskimmelgener identificeret i ny undersøgelse
- Sådan fungerer radiostyret legetøj
- Hvorfor effektive klimaforandringsløsninger stadig er så undvigende