研究人員創(chuàng)造了更快更便宜的方法來用光打印微型金屬結(jié)構(gòu)

佐治亞理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種基于光的打印納米金屬結(jié)構(gòu)的方法，該方法比目前可用的任何技術(shù)都更快、更便宜。這是一種可擴展的解決方案，可以改變長期依賴昂貴且緩慢的技術(shù)的科學(xué)領(lǐng)域。這一突破有可能將新技術(shù)帶出實驗室并推向世界。

許多領(lǐng)域的技術(shù)進步依賴于打印納米尺寸金屬結(jié)構(gòu)的能力——納米尺寸比人類頭發(fā)寬度小數(shù)百倍。SourabhSaha(喬治W伍德拉夫機械工程學(xué)院助理教授)和JunghoChoi(喬治·W·伍德拉夫機械工程學(xué)院博士)Saha實驗室的學(xué)生開發(fā)了一種打印金屬納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)，該技術(shù)比目前的傳統(tǒng)方法快480倍，便宜35倍。

在納米尺度上打印金屬(一種稱為納米圖案的技術(shù))可以創(chuàng)建具有有趣功能的獨特結(jié)構(gòu)。它對于許多技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要，包括電子設(shè)備、太陽能轉(zhuǎn)換、傳感器和其他系統(tǒng)。

人們普遍認為納米級印刷需要高強度光源。但這種被稱為飛秒激光器的工具可能花費高達50萬美元，對于大多數(shù)研究實驗室和小型企業(yè)來說過于昂貴。

薩哈說：“作為一個科學(xué)界，我們沒有能力快速且經(jīng)濟地制造足夠的這些納米材料，這就是為什么有前途的技術(shù)往往僅限于實驗室，而無法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實世界的應(yīng)用。”。

“我們想要回答的問題是，‘我們真的需要高強度飛秒激光來進行納米級打印嗎?’我們的假設(shè)是，我們不需要光源來獲得我們想要的打印類型。”

他們尋找一種低成本、低強度的光，可以以類似于飛秒激光器的方式聚焦，并選擇超輻射發(fā)光二極管(SLED)來實現(xiàn)商業(yè)可用性。SLED發(fā)出的光強度比飛秒激光器低十億倍。

Saha和Choi著手創(chuàng)建一種原創(chuàng)的投影式印刷技術(shù)，設(shè)計了一種將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換為光學(xué)圖像并將其顯示在玻璃表面上的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的運行方式類似于數(shù)字投影儀，但產(chǎn)生的圖像更清晰。他們利用超輻射光的獨特特性來生成缺陷最少的清晰聚焦圖像。

然后，他們開發(fā)了一種由金屬鹽組成的透明墨水溶液，并添加其他化學(xué)物質(zhì)以確保液體能夠吸收光。當(dāng)投影系統(tǒng)發(fā)出的光照射到溶液上時，會引起化學(xué)反應(yīng)，將鹽溶液轉(zhuǎn)化為金屬。金屬納米粒子粘附在玻璃表面，金屬粒子的團聚形成納米結(jié)構(gòu)。由于它是一種投影式打印，因此可以一次性打印整個結(jié)構(gòu)，而不是逐點打印，從而速度更快。

在測試該技術(shù)后，他們發(fā)現(xiàn)即使在低強度光下也可以進行投影式納米級打印，但前提是圖像清晰聚焦。Saha和Choi相信研究人員可以使用商用硬件輕松復(fù)制他們的工作。與昂貴的飛秒激光器不同，Saha和Choi在打印機中使用的SLED類型成本約為3,000美元。

“目前，只有頂尖大學(xué)才能獲得這些昂貴的技術(shù)，即使如此，它們也位于共享設(shè)施中，并且并不總是可用，”崔說。“我們希望使納米級3D打印的能力大眾化，我們希望我們的研究能夠為以低成本實現(xiàn)此類工藝打開大門。”

研究人員表示，他們的技術(shù)對于電子、光學(xué)和等離激元領(lǐng)域的工作人員特別有用，這些領(lǐng)域都需要各種復(fù)雜的金屬納米結(jié)構(gòu)。

薩哈說：“我認為，在致力于微型結(jié)構(gòu)的制造和制造的科學(xué)界中，成本和速度的指標被大大低估了。”

“在現(xiàn)實世界中，當(dāng)將實驗室的發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為工業(yè)時，這些指標非常重要。只有當(dāng)我們擁有考慮到這些指標的制造技術(shù)時，我們才能夠充分利用納米技術(shù)來造福社會。”

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