اواخر سال گذشته، محققان Caltech فاش کردند که یک روش ساخت جدید برای چاپ قطعات فلزی با ابعاد کوچک که دارای ویژگی هایی به ضخامت سه یا چهار ورق کاغذ هستند، توسعه داده اند.
اکنون، این تیم تکنیکی را دوباره اختراع کرده است تا امکان چاپ اشیاء هزار بار کوچکتر را فراهم کند: 150 نانومتر، که با اندازه یک ویروس آنفولانزا قابل مقایسه است. با انجام این کار، تیم همچنین کشف کرد که آرایش اتمی درون این اجسام نامنظم است، که در مقیاس بزرگ، این مواد را غیرقابل استفاده می‌کند، زیرا ضعیف و با کیفیت پایین در نظر گرفته می‌شوند. اما در مورد اجسام فلزی با ابعاد نانو، این آشفتگی در سطح اتمی اثر معکوس دارد: این قطعات می‌توانند سه تا پنج برابر قوی‌تر از ساختارهایی با اندازه‌های مشابه با آرایش اتمی منظم‌تر باشند.
این کار در آزمایشگاه جولیا آر. گریر، پروفسور روبن اف و دونا مترلر، استاد علوم مواد، مکانیک و مهندسی پزشکی انجام شد. مقاله ای که این کار را توصیف می کند با نام “اثر اندازه سرکوب شده در نانو ستون ها با ریزساختارهای سلسله مراتبی فعال شده توسط تولید افزودنی در مقیاس نانو” در شماره آگوست Nano Letters منتشر شده است.
این تکنیک جدید مشابه تکنیک دیگری است که این تیم در سال گذشته اعلام کرد، اما با هر مرحله از فرآیند برای کار در مقیاس نانو دوباره منتشر می‌شود. با این حال، این یک چالش اضافی است: اشیاء ساخته شده با چشم غیرمسلح قابل رویت نیستند یا به راحتی قابل دستکاری نیستند.
این فرآیند با تهیه یک “کوکتل” حساس به نور شروع می شود که عمدتاً از یک هیدروژل تشکیل شده است، نوعی پلیمر که می تواند چندین برابر وزن خود، آب جذب کند. سپس این کوکتل به طور انتخابی با لیزر سخت می شود تا داربستی سه بعدی به شکل اجسام فلزی مورد نظر ساخته شود. در این تحقیق، آن اشیا یک سری از ستون‌ها و نانوشبکه‌های کوچک بودند.
سپس قطعات هیدروژل با محلول آبی حاوی یون های نیکل تزریق می شوند. هنگامی که قطعات با یون‌های فلزی اشباع شدند، آن‌ها پخته می‌شوند تا تمام هیدروژل بسوزد، و قسمت‌هایی را به همان شکل اصلی باقی می‌گذارند، هرچند منقبض شده‌اند، و کاملاً از یون‌های فلزی تشکیل می‌شوند که اکنون اکسید شده‌اند (به اتم‌های اکسیژن متصل شده‌اند). در مرحله آخر، اتم های اکسیژن به صورت شیمیایی از قطعات جدا می شوند و اکسید فلز را دوباره به شکل فلزی تبدیل می کنند.
او می‌گوید: «همه این فرآیندهای حرارتی و جنبشی به طور همزمان در طول این فرآیند اتفاق می‌افتند و به یک ریزساختار بسیار بسیار آشفته منجر می‌شوند. شما نقایصی مانند منافذ و بی‌نظمی‌ها را در ساختار اتمی مشاهده می‌کنید که معمولاً به عنوان نقص‌های زوال قدرت در نظر گرفته می‌شوند. اگر بخواهید چیزی از فولاد بسازید، مثلاً یک بلوک موتور، نمی‌خواهید این نوع ریزساختار را ببینید. زیرا به طور قابل توجهی مواد را ضعیف می کند.”
با این حال، گریر می‌گوید که دقیقاً برعکس آن را یافته‌اند. عیوب زیادی که باعث تضعیف یک قطعه فلزی در مقیاس بزرگتر می شود، در عوض قطعات نانو را تقویت می کند.
هنگامی که یک ستون عاری از نقص باشد، شکست به طور فاجعه‌باری در امتداد مرز دانه‌ای رخ می‌دهد – جایی که کریستال‌های میکروسکوپی که مواد را تشکیل می‌دهند در مقابل یکدیگر قرار می‌گیرند.
اما زمانی که مواد پر از عیوب باشد، شکست نمی تواند به راحتی از یک مرز دانه به مرز دیگر منتشر شود. این بدان معناست که مواد به طور ناگهانی از بین نمی روند زیرا تغییر شکل به طور یکنواخت در سراسر مواد توزیع می شود.
ونشین ژانگ، نویسنده اصلی این کار و دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، می‌گوید: «معمولاً، حامل تغییر شکل در نانو ستون‌های فلزی – یعنی جابجایی یا لغزش – منتشر می‌شود تا زمانی که بتواند در سطح بیرونی فرار کند. “اما در حضور منافذ داخلی، انتشار به‌جای اینکه در تمام ستون ادامه یابد، به سرعت در سطح یک منفذ خاتمه می‌یابد. به عنوان یک قاعده کلی، هسته‌دهی یک حامل تغییر شکل دشوارتر از انتشار آن است. توضیح اینکه چرا ستون های فعلی ممکن است قوی تر از همتایان خود باشند.”
گریر معتقد است که این یکی از اولین نمایش های پرینت سه بعدی سازه های فلزی در مقیاس نانو است. او خاطرنشان می کند که این فرآیند می تواند برای ایجاد بسیاری از اجزای مفید مانند کاتالیزورهای هیدروژن استفاده شود. الکترودهای ذخیره سازی آمونیاک بدون کربن و سایر مواد شیمیایی؛ و قطعات ضروری دستگاه ها مانند حسگرها، میکرو ربات ها و مبدل های حرارتی.
او می گوید: «ما در ابتدا نگران بودیم. “ما فکر کردیم، “اوه، این ریزساختار هرگز به هیچ چیز خوبی منجر نخواهد شد”، اما ظاهراً دلیلی برای نگرانی نداشتیم زیرا معلوم شد که حتی ضرری هم ندارد. این در واقع یک ویژگی است.”
