顛覆"熱脹冷縮"， 3D打印出負熱膨脹超材料

2018年2月25日，南極熊獲悉，2016年頂級物理期刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》雜志發(fā)表了一篇研究論文，介紹了一種3D打印的超材料結(jié)構(gòu)，在加熱溫度升高的情況下出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象完全顛覆了我們初高中所學的物理常識——“熱脹冷縮”。如今這種微結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)由深圳摩方材料公司產(chǎn)業(yè)化。

科技日報曾對此做過報道，該研究由美國勞倫斯利物莫爾國家實驗室（LLNL）、麻省理工學院（MIT）、南加州大學、加州大學洛杉磯分校科學家合作，首次3D打印出受熱收縮的全新超材料。這個新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復之前體積，能反復使用，適用于制作溫度變化較大環(huán)境中所需要的精密操作部件，如微芯片和高精光學儀器等。

傳統(tǒng)大體積材料的熱力學特性都表現(xiàn)為受熱膨脹、遇冷收縮，而這次獲得的超材料完全相反，它在受熱時會收縮。該材料是用樹脂和另一種摻雜納米銅顆粒的樹脂打印出來的微晶格結(jié)構(gòu)，包含橫梁和空心點陣兩個部分，因不同材料受熱時相對位移不同，使得連接點處向內(nèi)拉伸，帶動整個晶格結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉伸，從而表現(xiàn)出獨有的熱收縮特性。

MIT機械工程系方絢萊教授帶領(lǐng)的研究團隊承擔了該研究的3D打印部分的工作。方絢萊教授在接受科技日報記者郵件采訪中表示，他們采用的是顯微立體光刻3D打印技術(shù)，類似噴墨打印機和數(shù)字曝光機的結(jié)合。先將不同材料的液滴噴在一個透明窗口上，再通過數(shù)字投影機把圖案分別投射在需要固化的液滴背面。被光照過的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu)，附著在一個樣品支架上，窗口上沒有曝光的液滴則被清除。如此反復，可以得到所需的復合材料。

方絢萊教授介紹，從每個單元來看，新結(jié)構(gòu)類似斜拉橋的設(shè)計，只是伸縮性好的鋼筋換成了相對柔軟的樹脂，剛度大的橫梁變成了摻銅納米顆粒的樹脂。受熱時柔軟的樹脂先伸長，直到加固的橫梁也被拉動而相對錨定的位置轉(zhuǎn)動�？傮w上看，整個空心的點陣結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)收縮。

這個新型結(jié)構(gòu)適用于制作溫度變化較大環(huán)境中的精密部件，如避免熱脹冷縮造成焦距漂移的光學鏡頭；長時間使用發(fā)熱但不會影響穩(wěn)定性的微型芯片；提高太陽能利用效率的器件；遇高溫食物能與真牙完美匹配的牙科填充物；甚至穿越太陽強熱照射的人造衛(wèi)星等。

如今，南極熊了解到，MIT方絢萊教授的技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)由深圳摩方材料公司產(chǎn)業(yè)化，公司聚焦在微納打印系統(tǒng)及精密光學器件的研發(fā)和生產(chǎn)。摩方材料自主研發(fā)的nanoArchM300多材料3D打印系統(tǒng)，可以實現(xiàn)高精度多材料3D打印，M300支持同時打印多種樹脂材料在一個復雜結(jié)構(gòu)樣品中，適用于基礎(chǔ)理論驗證及原理創(chuàng)新研究。其主要應(yīng)用在點陣結(jié)構(gòu)材料、功能梯度材料、超材料、復合材料、復雜微流控，多材料4D打印等方面。

nanoArch M300系統(tǒng)允許將不同材料以液態(tài)混合在一起涂布，然后再用紫外線光源形成精細圖案進行固化。利用這一方法，研究人員可以將物體微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的橫梁按特定角度進行有序排列（而非改變分子結(jié)構(gòu)來構(gòu)成新材料）。在所構(gòu)成的新材料中由于組成材質(zhì)不同，不同功能單元受熱的膨脹速率也有所不同，結(jié)果受熱時物體整體非但沒有膨脹，反而開始向里收縮，徹底顛覆了以往熱脹冷縮的原理。

如同芯片加工等精密制造領(lǐng)域，超高精度的3D打印是一項復雜的系統(tǒng)工程，首先需要有技術(shù)水平領(lǐng)先且質(zhì)量穩(wěn)定的設(shè)備，但設(shè)備僅僅是一個能力型的平臺，需要在打印材料，打印軟件，打印工藝，后處理工藝等多個方面不斷創(chuàng)新和突破，才能不斷做出顛覆性的成果，當然這需要長時間的基礎(chǔ)研究和工藝摸索。下圖是摩方研發(fā)團隊，運用超高精度打印技術(shù)，打印微彈簧結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片，這種國際領(lǐng)先的精密加工水平，將進一步推進該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，拓寬該技術(shù)的應(yīng)用。這種精度和結(jié)構(gòu)的材料，再結(jié)合其他工藝技術(shù)，比如表面金屬化工藝，未來可用于新型傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，在MEMS領(lǐng)域有應(yīng)用前景。據(jù)南極熊了解，這2個微型彈簧樣品，是由摩方材料公司的超高精度單材料打印系統(tǒng)nano Arch P110打印，該打印系統(tǒng)有2μm的XY打印精度，和5μm打印層厚精度，并有獨特的工藝和軟件算法，可打印微彈簧，超材料，微流控等三維復雜結(jié)構(gòu)的材料器件。


來源：科技日報
編輯：南極熊