研究人員使用3D打印將納米顆粒組裝成堅固的宏觀結構

魔猴君  行業資訊   1591天前

漢堡工業大學（TUHH）和麻省理工學院（MIT）的研究人員與不來梅大學和不來梅大學合作，已經使用3D打印將納米顆粒組裝成堅固的宏觀結構。

該研究小組開發了一種直接寫入自組裝技術，該技術通過交聯得到了全面增強，從而使微觀結構的結構強度可以反映在宏觀結構中。將3D打印與這種膠體組裝方法相結合，可以使機械性能更強，多功能的3D結構的發展，并為航空航天業中的所得材料打開新的應用領域。“ 3D打印為開發新材料提供了一種快速且可控的方式。以前的3D打印的基于粒子的材料通常較弱，因為它們的粒子主要是通過弱力固定在一起的。而在我們這里，整個材料中形成了牢固的，共價鍵結合的納米顆粒的緊密堆積的網絡。”負責這項研究的TUHH的BertaDomènech博士說。

3D打印柱的示意圖，以及相應的孔隙率評估。圖片來自高級工程材料。

利用微型結構的強度

宏觀結構通常包含許多裂紋或缺陷，當置于較高的載荷下時，可能會導致它們失效。另一方面，納米材料幾乎沒有缺陷，因此將微結構的優勢納入其宏觀等效物的潛力可以為后者提供更高的強度。為了實現這種集成，需要開發一種能夠精確控制納米顆粒（NP）的組成和組裝的制造方法。

研究人員提出，通過利用和進一步控制其固有的分子間和表面力，可以將NPs組裝成更大的結構。利用這些短程作用力，膠體自組裝成為一種可行的方法，可以對納米嵌段進行專門設計，并調節所得材料的性能。雖然通常使用膠體自組裝來創建1D或2D結構，但利用3D打印可以跨多個長度尺度對3D材料系統進行量身定制的設計。

為了有效地使用這種直接書寫3D打印技術，研究團隊將需要使用剪切稀化墨水，該墨水在壓力下流過針孔，并且在沉積時具有保形能力。結果，幾種長度尺度的成功橋接取決于合成的納米復合材料的固有機械強度。盡管NP的理論強度極強，但NP之間的鍵合力需要達到數百MPa左右才能起作用，因此團隊需要一種新的方法。作為回應，研究人員設計了一種將直接寫入3D打印與氧化鐵NP的膠體自組裝相結合的方法，以創建堅固的獨立式宏觀結構。

將樣品進行彎曲測試（圖像B），將得到的色譜柱表面保留在圖像D中。通過Advanced Engineering Materials獲得圖像。

3D打印高強度宏觀結構

直寫膠體組件是使用定制的臺式直寫系統構建的，該系統最初是由麻省理工學院開發的。為了創建結構，將OA功能化Fe3O4-NP的甲苯基懸浮液從高精度針頭分配到基質上，形成液橋。在膠體組裝過程中，橋為聚集在底部的NP提供了限制，并形成了自組裝的實心柱。通過以與自組裝印刷柱的垂直生長速率匹配的速率向下移動底物，可以控制該過程。通過在325°C的惰性氣氛中進行熱處理來增強強度，從而在相鄰納米顆粒的有機分子之間形成新的鍵（或交聯）。所得的有機部件更硬，并且更能抵抗較高的載荷，其固化效果與在普通環氧樹脂上的固化過程相似。

利用這項新技術，研究人員生產了具有超結晶結構的獨立式毫米大小的色譜柱。發現由球形氧化鐵納米顆粒的有序排列（超晶）組成的微型柱子的表面覆蓋著短有機分子（油酸）。發現這種表面功能化是材料增強的機械性能的原因。結合力使納米顆粒可控地組裝成緊密堆積的有序排列，有機分子充當了進一步增強材料的活性位點。

為了評估超晶格中可能的變化，在沿柱軸的不同點進行了基于同步加速器的小角X射線散射（SAXS）分析。掃描確定形成了超晶格，并且未檢測到作為列位置的函數的晶格參數有顯著差異。將摘要X射線顯微鏡（XRM）應用于3D打印柱的一部分，總長度為460μm。該掃描檢測到41 311μm3的色譜柱內部不對稱分布的內部空隙和孔，這相當于樣品評估的總體積的0.6％。

研究團隊成功地證明了膠體組裝與3D打印的結合，可以輕松，快速地制造出堅固耐用的色譜柱，將幾乎五種不同的長度范圍橋接在一起。根據研究人員的說法，他們現在將嘗試獲得對過程參數的更多控制，將研究范圍擴展到其他納米粒子系統，并最終創建具有不同幾何形狀的3D打印部件。這項新技術可能導致將納米級構建塊集成到各種宏觀多功能材料中，從光子器件到新的結構材料。

3D打印中的高耐久性宏觀結構

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來源：網絡編譯文章