去年年底，加州理工学院的研究人员透露，他们已经开发出一种新的制造技术，用于打印微型金属零件，其特征约为三四张纸厚。

现在，该团队重新发明了这项技术，可以打印小一千倍的物体：150纳米，与流感病毒的大小相当。在这样做的过程中，研究小组还发现这些物体内的原子排列是无序的，这在很大程度上会使这些材料无法使用，因为它们会被认为是弱的和“低质量的”。然而，对于纳米尺寸的金属物体，这种原子级的混乱会产生相反的效果：这些部件的强度可能比具有更有序原子排列的类似尺寸结构强三到五倍。

这项工作是在材料科学、力学和医学工程鲁本·F·和唐娜·梅特勒教授朱莉娅·R·格里尔(JuliaR.Greer)的实验室进行的。弗莱彻琼斯基金会卡维理纳米科学研究所所长。描述这项工作的论文“通过纳米级增材制造实现分层微结构抑制纳米柱的尺寸效应”发表在《纳米快报》八月号上。

这项新技术与该团队去年宣布的另一项技术类似，但该过程的每一步都经过重新设计，以在纳米尺度上发挥作用。然而，这提出了一个额外的挑战：制造出来的物体肉眼不可见，也不易于操纵。

该过程首先要准备一种光敏“混合物”，该混合物主要由水凝胶组成，水凝胶是一种可以吸收其自身重量数倍的聚合物。然后用激光选择性地硬化这种混合物，以构建与所需金属物体形状相同的3D支架。在这项研究中，这些物体是一系列微小的柱子和纳米晶格。

然后将水凝胶部分注入含有镍离子的水溶液。一旦这些部件被金属离子饱和，它们就会被烘烤，直到所有的水凝胶都被烧掉，留下与原始形状相同的部件，尽管收缩了，并且完全由现在被氧化的金属离子组成(与氧原子结合)。在最后一步中，氧原子从零件中被化学剥离，将金属氧化物转化回金属形式。

“在这个过程中，所有这些热过程和动力学过程同时发生，它们导致了非常非常混乱的微观结构，”她说。“你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度恶化的缺陷。如果你要用钢建造一些东西，比如发动机缸体，你不会想看到这种类型的微观结构因为它会显着削弱材料的强度。”

然而，格里尔说他们的发现恰恰相反。许多缺陷会在更大范围内削弱金属部件，但反而会强化纳米级部件。

当支柱没有缺陷时，沿着所谓的晶界(构成材料的微观晶体相互碰撞的地方)会发生灾难性的故障。

但当材料充满缺陷时，失效就很难从一个晶界传播到下一个晶界。这意味着材料不会突然失效，因为变形在整个材料中分布得更加均匀。

“通常，金属纳米柱中的变形载流子——即位错或滑移——会传播，直到它可以从外表面逃逸，”该研究的主要作者、机械工程研究生张文新说。“但在存在内部孔隙的情况下，传播将很快在孔隙表面终止，而不是一直持续到整个柱子。根据经验，使变形载体成核比让它传播更难，解释为什么目前的支柱可能比其对应的支柱更强大。”

Greer认为，这是纳米级金属结构3D打印的首批演示之一。她指出，该过程可用于制造许多有用的成分，例如氢气催化剂;无碳氨和其他化学品的存储电极;以及传感器、微型机器人和热交换器等设备的重要部件。

“我们最初很担心，”她说。“我们想，‘天哪，这种微观结构永远不会带来任何好处’，但显然，我们没有理由担心，因为事实证明它甚至不是一种损害。它实际上是一个功能。”