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纳米成型技术:制造工艺的未来
来源 : 科学之家   发布时间 : 2015-01-23 11:02

图片来源:cnpowder.com
 
科学家研究发现一种可在金属片上用纳米级的三维结构创造大面积图案的新方法,这可能导致创新性的低成本规模制造方式的出现,例如先进技术领域的“等离子体超材料”等。 
 
超材料有着工程化的表面,即含有纳米级的功能、图案和元素等,从而实现对光前所未有的控制,这将会带来很多创新,比如高速电子、先进传感器和太阳能电池等。
 
这个新方法被称为激光震动压印法,即在金属上创造出晶体结构以得到理想的机械和光学性能。借助该方法,我们使用台式设备就能批量且廉价地进行生产。
 
此研究成果在2014年12月5号发表的Science杂志文章中有详细介绍。此文的作者分别来自美国普渡大学(Purdue University,PU)、哈佛大学、加州大学圣地亚哥分校(University of California,San Diego)、西班牙马德里高级研究院(Madrid Institute for Advanced Studies)。此研究团队由美国普渡大学的工业工程领域副教授Gary Cheng领衔。
 
这些形状,包括纳米金字塔、齿轮、棒状、凹槽和网状,都是细微结构,要比人的头发还要细千倍,不使用专门的成像设备根本无法观测。研究人员使用这一技术以钛、铝、铜、金和银为材料制出很多纳米形状。
 
这一震动技术的巨大优势是可以得到精确的角、垂直的面以及高保真度的结构。
 
Cheng说:“这些纳米结构同样还有着极其平滑的表面,这在商业应用中有着广阔的前景。使用传统方法,将一个晶体材料变形为比原始材料小很多的纳米模具是非常困难的。并且由于尺寸效应,当晶体尺寸降到非常小时,材料将变得非常坚硬。因此,让金属流入高保真3D成型的纳米模具非常具有挑战性。”
 
研究人员同样还发明了金属与石墨烯的混合结构,该结构是一种超薄的碳结构,在很多领域中都有着良好的应用前景。这一混合材料可提高材料的等离子体效应,使得超材料成为理想的吸收体,在光电子和无线通讯领域都有着广泛的应用前景。
 
Cheng说:“我们可以在金属-石墨烯混合材料上压制出纳米图案,这也为制备二维晶体开辟了一条新的途径。”
 
这一技术使用脉冲激光,生成高应变率(strain rate)的印记,使得金属进入纳米模具。
 
Cheng说:“我们开始使用金属薄膜做实验,将其大面积变形成为3D纳米形状。更有趣地是,在压印过后,所得到的三维纳米结构仍然是晶体,具有优异的电磁和光学性质。”
 
鉴于其他研究人员用较软的或非结晶材料得到了纳米级形状,而新研究则展示了他们如何用硬晶体材料得到这些纳米形状。
 
本实验中,纳米尺寸的硅模由普渡大学探索公园的Birck纳米科技中心制备,研究团队由电子与计算工程副教授Minghao Qi领导。
 
Qi说:“使用硅作为模具是违反常理的,相比较金属而言,硅是一种相当易碎的材料。但是,当我们在纳米模具上镀上超薄的氧化铝层后,它的性能却变得十分优异。这种纳米模型可以反复使用,而不至于产生明显的破坏。我们猜测,部分原因是尽管它的应变率非常高,但冲击时所施加的压力也只有1~2吉帕斯卡左右。”
 
此形状的纵横比高达5,即高度约为宽度的5倍,这对等离子体超材料是非常重要的一个属性。
 
Qi说:“从制造的观点来看,制造超平滑的、高保真度的纳米结构是项非常艰巨的任务。通常情况下,当金属重新结晶形成颗粒时,将或多或少变得有些粗糙。在过去的实验中,研究人员试图使用极高压的晶体金属印记或非晶体金属印记,但是得到的晶体金属表面粗糙度非常高,或者非晶体表面虽然平滑,但是电阻相当高。对于在纳米电子学、光电子学和等离子体学领域的一些潜在应用,必须要求极高的精度、低电磁损耗、高电导率和高热导率。就图案而言,还需要高保真度、精确的角、垂直的侧壁等,这些都是非常困难的。在本实验之前,想获得同时具备这些优异性能的材料是非常困难的。”
 
 
在未来工作中,研究人员将致力于利用该技术得到一种卷式制造系统,将应用于许多工业中纸和金属薄片的生产、柔性电子和太阳能电池等新的应用领域。
 
该项目由美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院、美国国防部威胁防御局、美国海军研究办公室和美国国家研究理事会支持。(科学之家,译审:YC Zhang)



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