HYPEENCORE水凝胶三维打字与印刷笔在铂表面创制微

作者:军事资讯

[据3Ders网站2014年12月13日报道]3D打印技术能够形成各种形状和尺寸的物体,以及打印技巧。虽然我们有时会抱怨FDM打印机的打印范围有限,但一些工业设计师和科学家反而寻求微观层面的打印,这一领域有着大量潜在的工业、化工和医疗应用。幸运的是,由韩国高丽大学Seongpil Hwang领导的韩国科学家团队目前已开发出一个非常有趣和有前途的3D打印机:HYPER笔。这种笔代表着“电化学反应的水凝胶笔”,结合了依靠微小电极的一类扩散3D打印的原子力显微镜精度。这种笔状结构是一种非常复杂的电化学工具,可在非常小的水平,通过电极沉积概念在电极表面进行铂沉积:‘一种低成本、可靠的、环保的和通用方法来制造薄膜,厚度控制在单层和几个微米之间。’这通常用于生产2D结构,但这种笔已经移至3D结构。Seongpil Hwang近期在《纳米杂志》期刊上发表过相关文章。这种笔不像是你可以拿在手里的那种,其整个创新围绕笔尖开展。新的3D打印笔采用三项技术的组合:美国西北大学Chad Mikin开发的蘸笔光刻技术、英国帕特里克·昂温华威大学的Patrick Unwin开发的纳米吸液管和哈佛大学Jennifer Lewis开发的微喷嘴。与任何笔类似,HYPER笔有一个微观层面的水凝胶金字塔形的尖端。笔尖浸泡在电解液中,促使电化学反应发生。当这个笔尖接触到电极表面时,由于‘依附于小的电区的法拉第电流’,物体会从这个笔尖传送至接触面。这可用于创建精确的纳米结构这些3D结构可以达到绝对微小。根据这篇文章,HYPER笔能够“制造小尺寸,高度,以及任意结构,因此表明了局部电镀的3维结构的一种增材制造工艺。”正如黄教授告诉记者的,这是‘首例3D打印笔’,尽管他们确实没有在其他研究团队中获益。然而他们的笔就是一切,并且准备实际应用,其开发者希望,HYPER笔是迈向实际应用的关键一步。相关的进一步研究希望能提高此类纳米打印机的规模、控制和可靠性。然而此项工作需要更多的研究,黄教授的团队相信,电沉积打印技术可用于在微观层面上3D打印任何金属结构。他表示,“我们相信,对HYPER开展进一步调查将为可负担的3D纳米打印提供新的路径。”

科学家开发出制造纳米精度物体新方法

3D打印微电池可为从医药到通讯等多个领域的器件提供电能,也可为需要小型电池的实验室应用提供电能。为制作微电池,哈佛大学和伊利诺伊大学香槟分校的研究团队,精确打印了交错堆叠的微电池电极,每个电极比人类头发直径还小。

美国研究人员开发出一种新方法,可打印各种形状、多种材质的纳米精度三维物体,在光学、医疗、机器人等领域有广阔的应用前景。

近年来,工程师发明了许多小型设备,包括医疗植入物、类似昆虫的飞行机器人、可安装在眼镜上的微型摄像头和麦克风,但通常供电电池的体积与它们一样或者更大,限制了这些设备向更小尺寸发展。 为了解决这个问题,制造商通常通过在固态材料上沉积薄膜来制作电极。但由于采用超薄设计,这些固态微电池不具有足够的能量来驱动下一代微型设备。 该联合研究小组第一次演示了3D打印电池的能力。

参与研究的麻省理工学院生物工程及大脑和认知科学副教授爱德华博伊登说,这是一种多种材料创建纳米级精度三维结构的新方法。相关论文发表在新一期美国《科学》杂志上。

研究人员意识到,如果他们能制作成堆的紧密交错的超薄电极,就能产生更多的能量。为此,他们选用了3D打印技术,3D打印机依照计算机三维图纸,一层层连续沉淀油墨材料,从零开始制作出物理物体,就像叠加扑克牌一样。该技术可用于一系列领域,从牙科实验室生产牙冠到航空航天、汽车和消费品领域的快速成型。

新研究采用了一种被称为内爆制造的技术。团队使用吸水性很强的聚丙烯酸酯凝胶作为微观制造支架,将支架浸泡在含有荧光素分子的溶液中。在双光子显微镜下,研究人员用激光激活荧光素分子,使其附着在凝胶的特定位置充当锚点,然后添加需要打印的材料分子与锚点结合,比如金属、量子点、DNA等。

刘易斯集团公司大幅扩展了3D打印的能力,他们设计了可广泛使用的功能性油墨,该油墨具有一定用途的化学和电气性能。该公司利用这种油墨及专用3D打印机,制作出具有电子、光学、机械或生物学属性的精密结构。 为打印3D电极,刘易斯集团公司首先研制并测试了几种专用油墨。与办公室喷墨打印机不同,喷墨打印机的墨水作为液滴在页面上干印出来。3D打印的油墨必须符合两个严格的要求,一是像牙膏一样能从细喷嘴中出来,二是可立即变硬成为最终形状。 这种情况下,油墨要具有类似电化学活性材料一样的功能以制作阳极和阴极,并迅速变硬成为很窄的层,同时达到与薄膜制造方法实现的窄度一样。

当所有分子就位,研究人员向凝胶中加酸使整个结构收缩,每个维度上可以缩小到十分之一,整个体积缩小到原来的千分之一。目前,研究人员可利用该方法制造出体积为1立方毫米、分辨率为50纳米的物体。

为了实现这些目标,研究人员用锂金属氧化复合物的纳米粒子研制了一种用于电极的油墨。3D打印机把油墨沉积在两个金梳子的齿上,制作出紧密交错堆叠的阳极和阴极,然后研究人员将电极封装到一个小型容器内,再充满电解质溶液,从而制作出一个电池。

现阶段3D打印技术主要通过逐层叠加方式创建微小三维结构,但这一过程比较缓慢,并且只适用于利用聚合物、塑料等材料制造自支撑结构,造不出中空等结构。

而通过内爆制造可以创造出各种结构的纳米精度三维物体,包括有梯度的、非连通的及复合材料的结构等。

研究人员认为,该技术最早的应用可能在光学领域,例如制造用以研究光的基本特性的特殊透镜以及用于手机摄像头、显微镜或内窥镜的镜头等。在更远的将来,该技术可用于生产纳米级电子产品或机器人等。

相关论文信息:DOI: 10.1126/science.aau5119

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