I slutet av förra året avslöjade Caltech-forskare att de hade utvecklat en ny tillverkningsteknik för att skriva ut metalldelar i mikrostorlek som innehåller detaljer som är ungefär så tjocka som tre eller fyra pappersark.
Nu har teamet återuppfunnit tekniken för att göra det möjligt att skriva ut föremål som är tusen gånger mindre:150 nanometer, vilket är jämförbart med storleken på ett influensavirus. Därmed upptäckte teamet också att atomarrangemangen inom dessa föremål är oordnade, vilket i stor skala skulle göra dessa material oanvändbara eftersom de skulle anses vara svaga och "låg kvalitet". När det gäller metallföremål i nanostorlek har dock denna röra på atomnivå motsatt effekt:dessa delar kan vara tre till fem gånger starkare än strukturer av liknande storlek med mer ordnade atomarrangemang.
Arbetet utfördes i labbet av Julia R. Greer, Ruben F. och Donna Mettler professor i materialvetenskap, mekanik och medicinsk teknik; och Fletcher Jones Foundation direktör för Kavli Nanoscience Institute. Uppsatsen som beskriver arbetet, "Undertryckt storlekseffekt i nanopelare med hierarkiska mikrostrukturer aktiverade av tillsatstillverkning i nanoskala", publiceras i augustiutgåvan av Nano Letters .
Den nya tekniken liknar en annan som tillkännagavs av teamet förra året, men med varje steg i processen omarbetas för att fungera på nanoskala. Detta innebär dock en ytterligare utmaning:de tillverkade föremålen är inte synliga för blotta ögat eller lätta att manipulera.
Processen börjar med att förbereda en ljuskänslig "cocktail" som till stor del består av en hydrogel, en sorts polymer som kan absorbera många gånger sin egen vikt i vatten. Denna cocktail härdas sedan selektivt med en laser för att bygga en 3D-ställning i samma form som de önskade metallföremålen. I denna forskning var dessa föremål en serie små pelare och nanogitter.
Hydrogeldelarna infunderas sedan med en vattenlösning innehållande nickeljoner. När delarna är mättade med metalljoner, bakas de tills all hydrogel är utbränd, vilket lämnar delar i samma form som originalet, även om de är krympta, och som helt består av metalljoner som nu är oxiderade (bundna till syreatomer). I det sista steget avlägsnas syreatomerna kemiskt från delarna, vilket omvandlar metalloxiden tillbaka till en metallisk form.
I det sista steget utvecklar delarna sin oväntade styrka.
"Det finns alla dessa termiska och kinetiska processer som sker samtidigt under denna process, och de leder till en mycket, väldigt rörig mikrostruktur", säger hon. "Du ser defekter som porer och ojämnheter i atomstrukturen, som vanligtvis anses vara hållfasthetsförsämrande defekter. Om du skulle bygga något av stål, till exempel ett motorblock, skulle du inte vilja se den här typen av mikrostruktur eftersom det skulle försvaga materialet avsevärt."
Greer säger dock att de hittade precis motsatsen. De många defekterna som skulle försvaga en metalldel i större skala stärker istället nanoskala delarna.
När en pelare är fri från defekter inträffar ett misslyckande katastrofalt längs det som kallas en korngräns – platsen där de mikroskopiska kristallerna som utgör materialet stöter mot varandra.
Men när materialet är fullt av defekter kan ett misslyckande inte enkelt spridas från en korngräns till nästa. Det betyder att materialet inte plötsligt kommer att misslyckas eftersom deformationen fördelas jämnare över materialet.
"Vanligtvis fortplantar sig deformationsbäraren i metallnanopelare - det vill säga en dislokation eller glidning - tills den kan komma ut på den yttre ytan", säger Wenxin Zhang, huvudförfattare till arbetet och doktorand i maskinteknik. "Men i närvaro av inre porer kommer fortplantningen snabbt att avslutas vid ytan av en por istället för att fortsätta hela vägen genom hela pelaren. Som en tumregel är det svårare att kärna fram en deformationsbärare än att låta den fortplanta sig, förklara varför de nuvarande pelarna kan vara starkare än deras motsvarigheter."
Greer menar att detta är en av de första demonstrationerna av 3D-utskrift av metallstrukturer i nanoskala. Hon noterar att processen kan användas för att skapa många användbara komponenter, såsom katalysatorer för väte; lagringselektroder för kolfri ammoniak och andra kemikalier; och väsentliga delar av enheter som sensorer, mikrorobotar och värmeväxlare.
"Vi var ursprungligen oroliga", säger hon. "Vi tänkte, 'oh my, den här mikrostrukturen kommer aldrig att leda till något bra', men uppenbarligen hade vi ingen anledning att oroa sig eftersom det visar sig att det inte ens är en nackdel. Det är faktiskt en funktion."
Mer information: Wenxin Zhang et al, Undertryckt storlekseffekt i nanopelare med hierarkiska mikrostrukturer aktiverade av additiv tillverkning i nanoskala, Nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c02309
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av California Institute of Technology
