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科学家通过缩小尺寸制造微小纳米材料

了解 3D 纳米打印技术如何通过创新的内爆制造技术彻底改变纳米材料的构建。

作者:Bill Andrews
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研究人员创建并缩小的形状集合,显示在缩小过程之前。来源:Oran et. al/Science

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将事物缩小到更方便的尺寸似乎非常有吸引力。这是蚁人的超能力,开启了《亲爱的,我把孩子缩小了》的冒险,当然,《辛普森一家》也以此为乐。(缩小在其他情境中也出现过。)

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现在,在现实生活中,麻省理工学院和哈佛大学的科学家们也加入了这场有趣的探索,他们设计了一种构建纳米材料的新方法——纳米材料是尺寸约为十亿分之一米的微小机器或结构。他们称之为内爆制造(ImpFab),通过构建所需的材料,然后将其字面意义上缩小到纳米尺度来实现。这些发现今天发表在《科学》杂志上,并可能为下一代材料、传感器和设备铺平道路。

3D 纳米打印

当然,研究人员已经在利用纳米世界了,但目前的“纳米制造”方法并不理想。它们通常需要逐层构建,或者要求产品是自支撑的,这限制了创作只能是相对简单的形状,并且只能使用有限的材料。

ImpFab 工艺克服了所有这些问题。作者写道:“我们提出了一种直接组装 3D 纳米材料的策略,该材料由金属、半导体和生物分子组成,排列在几乎任何 3D 几何形状中。”几乎任何他们(或其他人)能想到的设计现在都可以实现纳米尺度——即使是具有“不连续”图案的设计,即它们之间不互相接触。

他们略带夸耀地说:“我们制造了一个非分层、非连接的 3D 结构,由许多 2D 子结构组成,它们在空间中相对于彼此以不同的角度排列,而这不适用于其他方法进行制造。”

那种缩小感

这一切都得益于收缩过程。该团队首先在一个特殊的“聚丙烯酸酯/聚丙烯酰胺水凝胶”中创建图案——这是一个脚手架,实际所需的材料颗粒将在此之上悬挂。这就是他们如何在三维空间中创建他们想要的精确形状和结构,而无需担心东西如何支撑自身。

一旦建成,最后一步就是实际的收缩,收缩幅度高达 10-20 倍。选择这种凝胶是因为它可以吸饱水分,从而在经过化学处理和脱水时收缩。在其中构建的材料与凝胶一起收缩,而不会失去其结构甚至电学性质。(收缩并不总是均匀的,但团队可以纠正这一点;为了证明他们对过程的掌握,他们构建了一个矩形块并将其缩小成一个完美的立方体。)

因此,现在工程师们有了一种新的方法来创建精细微小的电子和机械设备,但作为额外的好处,科学家们也有了一种探索物质世界的新方法,使他们能够更深入地了解各种材料的物理特性。此外,作者说 ImpFab 工艺的模块化特性意味着其主题的变化——也许是不同的化学收缩方法,或新颖的构建材料——可能会产生更多将物质组合在一起的新方法。让蚁人来试试吧!

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