美国研究人员开发出“3D生长”增材制造技术

来源：贤集网

据南极熊了解，美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校研究人员开发出“3D生长”增材制造技术，可控制晶体材料结晶形成所需结构。研究人员开发出一种名为3D聚合物接枝纳米粒子（PGNP）晶体的纳米颗粒复合材料。通过控制聚合物在溶液中的沉积过程，研究人员能够控制3D PGNP晶体的大小和形状，实现了从单粒子水平上控制晶体结构。待溶液完成蒸发，材料完成初步成型。该研究有望在纳米级（十亿分之一米）微调电子和光学设备的制造方面获得前所未有的精度。

能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的科学家领导的一个研究小组已经开发出一种纳米粒子复合材料，可以生长成三维晶体。科学家们说，这种新材料--他们在最近发表的《自然通讯》研究中称之为3D PGNP（聚合物接枝纳米粒子）晶体--可能会带来3D生长而非3D打印的新技术。

该研究的资深作者Ting Xu说：“我们已经展示了一个新的杠杆，可以说是将晶体材料生长为复合材料或结构材料，应用范围从智能建筑的纳米级光子学到机器人的执行器。”Xu是伯克利实验室材料科学部的高级科学家，也是加州大学伯克利分校化学和材料科学与工程系的教授。

徐说，他们的新方法符合大规模制造的要求。"许多聪明人已经设计了优雅的化学制品，如DNA和超分子，以使纳米粒子结晶。我们的系统本质上是纳米粒子和聚合物的混合体--它们类似于人们用来制造飞机机翼或汽车保险杠的成分。但更有趣的是，我们没有想到我们的方法会如此简单，如此快速，"徐说。

一个偶然的发现
主要作者钱怡文是加州大学伯克利分校徐氏小组的博士生研究员，在一次普通的实验室实验中偶然发现了3D PGNP纳米晶体。

几天前，她把甲苯溶剂和与聚苯乙烯接枝的金纳米粒子（Au-PS）的溶液放在实验室柜台上的离心管中。当她在透射电子显微镜（TEM）下观察该样品时，她注意到了一些奇怪的东西，纳米颗粒迅速结晶了。她说：“这不是一个正常的预期。”

为了进行研究，徐与伯克利实验室分子铸造厂的科学家Peter Ercius以及伯明翰大学的Wolfgang Theis和Alessandra DaSilva合作，他们都因其在STEM（扫描透射电子显微镜）断层扫描方面的专业知识而广受赞誉，这是一种电子显微镜技术，利用高度集中的电子束来高分辨率地重建材料的三维结构图像。

研究人员使用分子铸造厂的显微镜，一个世界领先的STEM断层扫描用户设施，首先捕捉到了Au-PS纳米颗粒的晶体三维模式。

为了寻找更多的线索，徐和钱随后在加州大学伯克利分校进行了核磁共振光谱实验，他们在那里发现，来自离心机管内壁的极微量的聚烯烃分子以某种方式进入了混合物。聚烯烃，包括聚乙烯和聚丙烯，是世界上最普遍的一些塑料。

Qian重复了这个实验，在Au-PS溶液中加入了更多的聚烯烃--这一次，他们在几分钟内得到了更大的三维PGNP晶体。

Xu很惊讶。她回忆说："我想，'这不应该发生得这么快'。纳米颗粒的晶体在实验室里通常需要几天的时间来生长。"

工业的福音：在纳米级上生长材料
随后的实验显示，由于甲苯溶剂在室温下迅速蒸发，聚烯烃添加剂帮助Au-PS纳米粒子形成三维PGNP晶体，并成长为它们最喜欢的晶体结构。在另一个关键实验中，研究人员设计了一个自组装的100-200纳米的晶体盘，看起来像一个金字塔的底座。从这一在纳米级掌握物质的惊人展示中，研究人员了解到，三维PGNP晶体的大小和形状是由聚烯烃在溶液中沉淀时的动能驱动的。

总的来说，这些发现 "提供了一个模型，表明你如何能够在单粒子水平上控制晶体结构。"徐说，并补充说他们的发现是令人兴奋的，因为它提供了对晶体在成核早期阶段如何形成的新见解。

Ercius说："而这是具有挑战性的工作，因为很难让原子彼此相邻。"

徐说，这种新方法可以让研究人员在纳米级（十亿分之一米）的电子和光学设备的微调中获得前所未有的控制。她补充说，这种纳米级的精度可以加快生产速度，消除制造中的错误。

展望未来，Qian希望利用他们的新技术来探测不同晶体结构的韧性--甚至可能制造出六角形晶体。徐计划使用他们的技术来生长更大的设备，如晶体管，或者也许用混合材料3D打印纳米粒子。

"你能用不同的形态做什么？我们已经表明，有可能从一种矿物和一种聚合物中生成一种单组分的复合材料。这真的很令人兴奋。有时你只需要在正确的时间出现在正确的地点。"徐说。

这篇论文的共同作者包括英国伯明翰大学的Alessandra da Silva和Wolfgang Theis；加州大学伯克利分校Xu小组的一名本科生研究员Emmy Yu；以及伯克利实验室分子铸造厂的Christopher L. Anderson和Yi Liu。