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3D打印,登頂Science!

今日Science重磅

天然材料由于其納米復合結構而表現出新興的機械性能,具有優化的層次結構,各向異性和納米孔隙率。然而,這種復雜系統的制造具有相當大的挑戰性,其高質量的三維(3D)納米打印主要限于簡單,均勻的材料
在此,美國斯坦福大學X. Wendy Gu教授和Qi Li等人報告了一種使用金屬納米簇快速納米打印具有復雜結構的納米復合材料策略,這些超小的量子限制納米團簇可作為高靈敏度的雙光子激活劑,同時作為機械增強和納米級致孔劑的前驅體。具體來說,打印了具有復雜3D架構的納米復合材料,以及具有可調,分層和各向異性納米孔隙率的結構。結果表明,納米團簇聚合物納米晶格具有較高的比強度、能量吸收、變形性和可恢復性,該框架為光活性納米材料的添加劑制造提供了一種可推廣的、通用的方法。相關研究成果“Mechanical nanolattices printed using nanocluster-based photoresists為題發表在Science上。
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三維(3D)打印的進步依賴于新打印技術的發明,以及樹脂,長絲,粉末和光刻膠等兼容原料材料的創建。當前的前沿是使用任意3D納米結構打印復雜材料,這些結構作為下一代機械材料,從而將納米級材料尺寸效應與輕質晶格結構相結合,優化了強度,剛度或單位重量的能量吸收。通過打印具有復雜內部納米特征的先進材料,例如具有優化間距和軟硬組件之間相互作用的納米復合材料,或天然結構材料的分層漸變孔隙率和結構各向異性,但這些復雜納米結構的制造受到現有印刷技術和缺乏適當原料的限制
雙光子(或多光子)光刻可以實現具有幾乎任意幾何形狀的聚合物納米結構。雙光子抗蝕劑通常使用光引發劑吸收光子以形成引發聚合的反應性物質(例如自由基),高性能雙光子引發劑可以大大提高打印速度和分辨率。目前,幾乎所有的雙光子引發劑都是有機分子
此外,每種有機光引發劑通常僅對單一類型的單體有效。復合納米結構可以通過在現有的雙光子抗蝕劑中添加金屬離子或無機顆粒來打印,該策略對于簡單的納米結構(例如,納米線,2D圖案)是適用的,但對于復雜的機械納米晶格無效,因為當存在小的結構缺陷時,性能會受到影響。不可控的金屬離子還原和顆粒生長導致結構缺陷和特征質量降低,聚集顆粒干擾光傳播。復合納米晶格也可以通過將無機層沉積到印刷的聚合物支架上來制造,這種方法具有令人印象深刻的機械性能,但需要耗時的多步驟制造過程,并且僅限于核殼結構。
在過去的十年中,已經合成了尺寸為1至2nm的超小型金屬納米簇,具有精確的原子結構。這些量子限制納米簇顯示出非金屬的、類分子的電子結構和光學特性。金屬納米團簇由零部分電荷的金屬原子組成,這避免了金屬還原的典型高能量要求。納米團簇的超小尺寸規避了較大金屬顆粒發生的光散射。許多金屬納米簇的密度遠低于其塊狀金屬對應物。因此,超小納米團簇是替代傳統有機分子作為光引發劑,和替代金屬離子或顆粒作為無機前驅體的主要候選者。
本文開發了基于金屬納米簇的光刻膠,用于制造納米團簇聚合物納米晶格,以及具有前所未有的結構復雜性的納米多孔玻璃碳和蛋白質結構,表明納米團簇是多功能且高效的雙光子活化劑,適用于不同類別的單體。納米團簇聚合物納米晶格表現出應變硬化行為,這導致了高比能量吸收、比強度、變形性和可恢復性的組合。基于這個簡單而通用的框架,通過將數百種可用的金屬納米簇與不同類型的單體和合理設計的3D拓撲相結合,為直接打印其他機械超材料提供了機會。
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圖1. 納米團簇光刻膠的光化學和可印刷性
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圖2. 納米團簇聚合物納米晶格的力學行為
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圖3. 機械性能比較
圖4. 玻璃碳和絲蛋白的分層、可調和各向異性納米多孔結構
Qi Li*?, John Kulikowski?, David Doan?, Ottman A. Tertuliano, Charles J. Zeman IV, Melody M. Wang, George C. Schatz, X. Wendy Gu*, Mechanical nanolattices printed using nanocluster-based photoresists, 2022, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo6997

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