佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種基于光的打印納米金屬結(jié)構(gòu)的方法，該方法比目前可用的任何技術(shù)都更快、更便宜。這是一種可擴(kuò)展的解決方案，可以改變長(zhǎng)期依賴昂貴且緩慢的技術(shù)的科學(xué)領(lǐng)域。這一突破有可能將新技術(shù)帶出實(shí)驗(yàn)室并推向世界。
許多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步依賴于打印納米尺寸金屬結(jié)構(gòu)的能力——納米尺寸比人類頭發(fā)寬度小數(shù)百倍。SourabhSaha(喬治W伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院助理教授)和JunghoChoi(喬治·W·伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院博士)Saha實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生開發(fā)了一種打印金屬納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，該技術(shù)比目前的傳統(tǒng)方法快480倍，便宜35倍。
在納米尺度上打印金屬(一種稱為納米圖案的技術(shù))可以創(chuàng)建具有有趣功能的獨(dú)特結(jié)構(gòu)。它對(duì)于許多技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，包括電子設(shè)備、太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換、傳感器和其他系統(tǒng)。
人們普遍認(rèn)為納米級(jí)印刷需要高強(qiáng)度光源。但這種被稱為飛秒激光器的工具可能花費(fèi)高達(dá)50萬美元，對(duì)于大多數(shù)研究實(shí)驗(yàn)室和小型企業(yè)來說過于昂貴。
薩哈說：“作為一個(gè)科學(xué)界，我們沒有能力快速且經(jīng)濟(jì)地制造足夠的這些納米材料，這就是為什么有前途的技術(shù)往往僅限于實(shí)驗(yàn)室，而無法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用。”。
“我們想要回答的問題是，‘我們真的需要高強(qiáng)度飛秒激光來進(jìn)行納米級(jí)打印嗎?’我們的假設(shè)是，我們不需要光源來獲得我們想要的打印類型。”
他們尋找一種低成本、低強(qiáng)度的光，可以以類似于飛秒激光器的方式聚焦，并選擇超輻射發(fā)光二極管(SLED)來實(shí)現(xiàn)商業(yè)可用性。SLED發(fā)出的光強(qiáng)度比飛秒激光器低十億倍。
Saha和Choi著手創(chuàng)建一種原創(chuàng)的投影式印刷技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像并將其顯示在玻璃表面上的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運(yùn)行方式類似于數(shù)字投影儀，但產(chǎn)生的圖像更清晰。他們利用超輻射光的獨(dú)特特性來生成缺陷最少的清晰聚焦圖像。
然后，他們開發(fā)了一種由金屬鹽組成的透明墨水溶液，并添加其他化學(xué)物質(zhì)以確保液體能夠吸收光。當(dāng)投影系統(tǒng)發(fā)出的光照射到溶液上時(shí)，會(huì)引起化學(xué)反應(yīng)，將鹽溶液轉(zhuǎn)化為金屬。金屬納米粒子粘附在玻璃表面，金屬粒子的團(tuán)聚形成納米結(jié)構(gòu)。由于它是一種投影式打印，因此可以一次性打印整個(gè)結(jié)構(gòu)，而不是逐點(diǎn)打印，從而速度更快。
在測(cè)試該技術(shù)后，他們發(fā)現(xiàn)即使在低強(qiáng)度光下也可以進(jìn)行投影式納米級(jí)打印，但前提是圖像清晰聚焦。Saha和Choi相信研究人員可以使用商用硬件輕松復(fù)制他們的工作。與昂貴的飛秒激光器不同，Saha和Choi在打印機(jī)中使用的SLED類型成本約為3,000美元。
“目前，只有頂尖大學(xué)才能獲得這些昂貴的技術(shù)，即使如此，它們也位于共享設(shè)施中，并且并不總是可用，”崔說。“我們希望使納米級(jí)3D打印的能力大眾化，我們希望我們的研究能夠?yàn)橐缘统杀緦?shí)現(xiàn)此類工藝打開大門。”
研究人員表示，他們的技術(shù)對(duì)于電子、光學(xué)和等離激元領(lǐng)域的工作人員特別有用，這些領(lǐng)域都需要各種復(fù)雜的金屬納米結(jié)構(gòu)。
薩哈說：“我認(rèn)為，在致力于微型結(jié)構(gòu)的制造和制造的科學(xué)界中，成本和速度的指標(biāo)被大大低估了。”
“在現(xiàn)實(shí)世界中，當(dāng)將實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為工業(yè)時(shí)，這些指標(biāo)非常重要。只有當(dāng)我們擁有考慮到這些指標(biāo)的制造技術(shù)時(shí)，我們才能夠充分利用納米技術(shù)來造福社會(huì)。”
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