В конце прошлого года ученые из Калифорнийского технологического института объявили об успехе в разработке технологии, позволяющей печатать микроразмерные металлические детали с толщиной, не превышающей трех-четырех листов бумаги.
На этот раз они изобрели новую технологию, которая позволяет печатать объекты размером всего лишь 150 нанометров, что менее чем в тысячу раз меньше предыдущего размера. Важно отметить, что в таких маленьких объектах атомные структуры не упорядочены, что за рамками микро- и макро- масштабов считается неблагоприятным и указывает на низкое качество и слабость материалов. Однако в случае наноразмерных металлических объектов этот беспорядок на атомном уровне обеспечивает противоположный эффект: такие детали могут быть в 3-5 раз прочнее, чем аналогичные структуры с более упорядоченным расположением атомов.
Эксперимент проводился в лаборатории под руководством профессора материаловедения, механики и медицинской инженерии Джулии Р. Грир, а также в сотрудничестве с директором Института нанонауки Кавли Фонда Флетчера Джонса Рубеном Ф. и Донной Меттлер.
Новая методика похожа на предыдущую технологию, которая была анонсирована группой в прошлом году, но в данном случае каждый этап процесса был пересмотрен и адаптирован для работы на наноуровне. Тем не менее, возникает дополнительная проблема: изготовленные объекты не видны невооруженным глазом и возникают трудности с обработкой.
Процесс начинается с создания фоточувствительного "коктейля", основным компонентом которого является гидрогель — полимер, способный впитывать воду в несколько раз больше своего собственного веса. Затем этот "коктейль" с помощью лазера контролируемо отверждается, формируя трехмерную структуру, полностью повторяющую желаемую форму металлических объектов. В данном исследовании эти объекты представляли собой набор маленьких столбиков и нанорешеток.
Затем внутрь гидрогелевых деталей вводится водный раствор, содержащий ионы никеля. После тщательного пропитывания деталей, они подвергаются печке до тех пор, пока гидрогель полностью не испарится, благодаря чему детали приобретают исходную форму, но существенно уменьшаются в размерах и полностью состоят из окисленных ионов металла (связанных с атомами кислорода). На заключительном этапе атомы кислорода удаляются химическим путем из деталей, в результате чего оксид металла снова превращается в металлическую форму.
В результате этой процедуры детали становятся неожиданно прочными.
"Во время этого процесса происходят одновременно различные термические и кинетические изменения, приводящие к хаотичной микроструктуре", — поясняет автор исследования. "Возникают дефекты, такие как поры и неоднородности в атомной структуре, обычно считающиеся слабыми местами, которые уменьшают прочность. Если бы мы создавали что-то из стали, например, двигательный блок, мы не хотели бы увидеть подобный тип микроструктуры, потому что это заметно ослабило бы материал".
Однако, согласно заявлению Грир, они пришли к прямо противоположному выводу. В то время как множество дефектов на большом масштабе могло бы ослабить металлическую деталь, в наномасштабных деталях они, наоборот, усиливают ее прочность.
Когда структура не содержит дефектов, разрушение материала происходит катастрофически, по так называемым границам зерен — местам, где микроскопические кристаллы, составляющие материал, соприкасаются друг с другом.
Однако, когда в материале присутствует большое количество дефектов, разрушение не может легко распространиться от одной границы зерна к другой. Это означает, что материал не будет мгновенно разрушаться, поскольку деформация равномерно распределяется по всему материалу.
По словам ведущего автора работы и докторанта факультета машиностроения, Вэньсинь Чжан, в металлических наностолбиках обычно носителем деформации является дислокация или скольжение, которые распространяются до тех пор, пока не достигнут внешней поверхности. Однако, при наличии внутренних пор, распространение останавливается на поверхности поры, а не продолжается по всей структуре.
Возникновение носителя деформации сложнее, чем его распространение, что объясняет, почему эти наностолбики могут быть прочнее, чем аналогичные конструкции. Грир утверждает, что это одна из первых демонстраций трехмерной печати металлических структур в наномасштабе. Она отмечает, что этот процесс может быть использован для создания различных полезных компонентов, включая катализаторы для получения водорода, электроды для хранения аммиака и других химических веществ без углерода, а также необходимые детали для устройств, таких как датчики, микророботы и теплообменники.
Джулия Р. Грир: "Изначально мы были обеспокоены. Мы думали, что такая микроструктура ни к чему хорошему не приведет, но, видимо, у нас не было причин для беспокойства, потому что оказалось, что она не вредит, а совсем наоборот.”