輕量高強度超彈性3D納米打印降世!

材料牛注：多年來科學家和工程師已在納米尺度下合成許多材料，并應用它們的機械、光學和能量特性，但當致力于大規模地增加這些材料尺寸時，卻導致其性能和結構完整性的衰減。

現在Xiaoyu "Rayne" Zheng（弗吉尼亞理工大學機械工程學助理教授）所領軍的研究團隊，已經在Nature Materials上發表了它們的研究，介紹一種新制程去創建輕量級、高強度且超彈性的3D打印金屬納米結構，并具有前所未有的延展性，其范圍達到整整七個數量級的三維任意方向伸展。

值得注意的是，這些多尺度的金屬材料表現出超彈性，因其設計具有3D分層結構排列以及納米級中空管，使其相較于傳統輕質金屬和泡沫陶瓷來說，擁有超過400%的拉伸彈性。

構建的納米特性的3D多層次分層結構，有利于每個需要結合剛度、強度、輕量、高彈性的地方，該結構能配件在宇宙、彈性盔甲、輕量汽車和電池上；換句話說，為航空航天、軍事、汽車工業應用開啟了一扇應用大門。

天然材料像是骨小梁和壁虎的腳趾，已經從微觀到宏觀生成多層次的三維結構，而人造材料目前尚未能控制這種微妙的結構特征。

「這種橫跨七個數量級結構寬度的3D分層微結構產品，是至今前所未見的。」研究的主要作者兼研究團隊領導者Zheng教授說，「透過多層次的3D結構將納米功能裝進材料里，你將會在厘米尺度下看到各種程序的機械性能；像是最小重量、最大強度和超彈性。

Zheng教授和他的同事使用這個制程創建的材料，對于數字光3D打印技術來說是一大創新，克服了在高分辨率和體積之間的權衡，這是目前3D微晶格和納米晶格尺度下打印的主要限制。

在納米尺度下可以制備出相關材料，像是石墨烯比鋼強100倍，但若試圖要增大其三維尺寸，強度將會降低八個數量級，換句話說，其強度將衰減1億倍。

「能透過新的工藝制程來提高延展性和彈性，且不需要添加柔性聚合物，從而使此金屬材料適用于柔性傳感性和嚴酷環境下的電子器件，極端環境下更需要抗化學和耐溫性。」Zheng教授說。

當光子從四面八方進入表面時，這些多層次的分層晶格可以用來采集光子能量，且不像傳統的光伏板只能在表面，它也可以在內部晶格結構中搜集。該研究發掘的巨大潛能之一是能生產多功能的無機材料，如金屬和陶瓷，去探索這些新材料的光子和能量搜集性能。

除了Zheng教授以外，團隊成員還包括弗吉尼亞理工大學畢業的研究生Huachen Cui、來自Zheng組的Da Chen還有來自勞倫斯·利弗摩爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)的同事。該研究在LLNL能源部的定向研究和弗吉尼亞理工學院暨州立大學(Virginia Tech，VL)、弗吉尼亞州的SCHEV(State Council of Higher Education for Virginia)基金會以及國防高級計劃研究局的支持下完成。

原文鏈接：Scientists develop way to upsize nanostructures into light, flexible 3-D printed materials

文獻鏈接：Multiscale metallic metamaterials

本文由編輯部尉谷雨提供素材，洪聖哲編譯，點我加入材料人編輯部。

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