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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(chē)
2024年01月22日 11:12:25
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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(jí)(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(lèi)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(lèi)材料一經(jīng)問(wèn)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(yáng)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(jí)(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(lèi)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(lèi)材料一經(jīng)問(wèn)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(yáng)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(shí)，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(guò)程中會(huì)面臨強(qiáng)度和塑性之間的矛盾，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是此消彼長(zhǎng)。因此在傳統(tǒng)工藝中，往往會(huì)根據(jù)實(shí)際使用需求來(lái)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(lái)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(jí)加工本身的難點(diǎn)。簡(jiǎn)單的說(shuō)就是高精度要求下對(duì)于加工設(shè)備的高要求。
針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，前者在近幾年得到了突破，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家均對(duì)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(zhǎng)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(jiǎn)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(wú)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(lái)說(shuō)就是兼顧高精度、高度設(shè)計(jì)性和高度功能化的優(yōu)勢(shì)。但是這種技術(shù)有一個(gè)比較嚴(yán)重的商業(yè)化難題——成本。飛秒激光工具價(jià)格高達(dá)50萬(wàn)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(wèn)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(lái)改變，同樣是用光，新技術(shù)更快且局限性更小。
美國(guó)佐治亞理工學(xué)院研究人員開(kāi)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(shí)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(kāi)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(xiàn)。
新系統(tǒng)可以利用超輻射光線(xiàn)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(xiàn)產(chǎn)生“互動(dòng)”，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(gè)過(guò)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(gè)，一個(gè)是前文提過(guò)的低廉的成本，另一個(gè)就是投影式打印可以一次打印整個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，或者更直接地說(shuō)就是優(yōu)秀的打印速度。但是同時(shí)也存在一個(gè)問(wèn)題——聚焦，在開(kāi)始工作前必須保證圖像是清晰聚焦的。
盡管我們目前無(wú)法證明新技術(shù)的實(shí)用價(jià)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(chē)，金屬納米結(jié)構(gòu)或許在未來(lái)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(gè)研究場(chǎng)所已經(jīng)開(kāi)始嘗試了。
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