轻量高强度超弹性3D纳米打印降世!

材料牛注：多年来科学家和工程师已在纳米尺度下合成许多材料，并应用它们的机械、光学和能量特性，但当致力于大规模地增加这些材料尺寸时，却导致其性能和结构完整性的衰减。

现在Xiaoyu "Rayne" Zheng（弗吉尼亚理工大学机械工程学助理教授）所领军的研究团队，已经在Nature Materials上发表了它们的研究，介绍一种新制程去创建轻量级、高强度且超弹性的3D打印金属纳米结构，并具有前所未有的延展性，其范围达到整整七个数量级的三维任意方向伸展。

值得注意的是，这些多尺度的金属材料表现出超弹性，因其设计具有3D分层结构排列以及纳米级中空管，使其相较于传统轻质金属和泡沫陶瓷来说，拥有超过400%的拉伸弹性。

构建的纳米特性的3D多层次分层结构，有利于每个需要结合刚度、强度、轻量、高弹性的地方，该结构能配件在宇宙、弹性盔甲、轻量汽车和电池上；换句话说，为航空航天、军事、汽车工业应用开启了一扇应用大门。

天然材料像是骨小梁和壁虎的脚趾，已经从微观到宏观生成多层次的三维结构，而人造材料目前尚未能控制这种微妙的结构特征。

「这种横跨七个数量级结构宽度的3D分层微结构产品，是至今前所未见的。」研究的主要作者兼研究团队领导者Zheng教授说，「透过多层次的3D结构将纳米功能装进材料里，你将会在厘米尺度下看到各种程序的机械性能；像是最小重量、最大强度和超弹性。

Zheng教授和他的同事使用这个制程创建的材料，对于数字光3D打印技术来说是一大创新，克服了在高分辨率和体积之间的权衡，这是目前3D微晶格和纳米晶格尺度下打印的主要限制。

在纳米尺度下可以制备出相关材料，像是石墨烯比钢强100倍，但若试图要增大其三维尺寸，强度将会降低八个数量级，换句话说，其强度将衰减1亿倍。

「能透过新的工艺制程来提高延展性和弹性，且不需要添加柔性聚合物，从而使此金属材料适用于柔性传感性和严酷环境下的电子器件，极端环境下更需要抗化学和耐温性。」Zheng教授说。

当光子从四面八方进入表面时，这些多层次的分层晶格可以用来采集光子能量，且不像传统的光伏板只能在表面，它也可以在内部晶格结构中搜集。该研究发掘的巨大潜能之一是能生产多功能的无机材料，如金属和陶瓷，去探索这些新材料的光子和能量搜集性能。

除了Zheng教授以外，团队成员还包括弗吉尼亚理工大学毕业的研究生Huachen Cui、来自Zheng组的Da Chen还有来自劳伦斯·利弗摩尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL)的同事。该研究在LLNL能源部的定向研究和弗吉尼亚理工学院暨州立大学(Virginia Tech，VL)、弗吉尼亚州的SCHEV(State Council of Higher Education for Virginia)基金会以及国防高级计划研究局的支持下完成。

原文链接：Scientists develop way to upsize nanostructures into light, flexible 3-D printed materials

文献链接：Multiscale metallic metamaterials

本文由编辑部尉谷雨提供素材，洪聖哲编译，点我加入材料人编辑部。

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