微观的世界，3D打印新突破!

材料牛注：随着3D打印技术的不断发展，打印的东西也开始从粗犷转向了精细化，现在科学家们试图将目光从宏观转向微观，去寻找微观世界的秘密。相信微观世界一定会带来惊喜。

在打印非常微小的物品时，3D打印技术的弊端就显现了出来。试想,要打印的模型比水滴还要小，比头发还要细，甚至只有常见细菌大小，此时可能真的要喊：臣妾做不到啊！

这种不可思议的微小结构在聚焦电子束诱导沉积技术（FEBID）的帮助下，或许可以成为现实。它可以将3D打印的尺寸控制在纳米级。FEBID利用扫描电镜的电子束凝结气态前体分子在表面形成表面沉积。

以前，用这种方法是既费力，又容易出错，而且还不能打印出稍大的（超过几个纳米量级的）复杂结构。目前，美国能源部橡树岭国家实验室的一个科研团队，与田纳西大学、奥地利格拉茨技术大学共同合作，开发了一个强大的模拟程序用于改善FEBID 技术，为纳米制造引入新的可能性。

团队负责人Jason Fowlkes是美国橡树岭国家实验室纳米材料科学中心，能源部科学用户设备办公室的研究人员。他表示，新系统把设计和生产融合成一个简洁的工艺流程，能够打印出复杂的三维纳米结构。位于奥地利格拉茨市的项目合作者Harald Plank说：“它能够准确设计自定义纳米结构，这种能力使它开启了在三维等离子、独立纳米传感器和纳米力学原理在纳米级尺寸的一系列新应用，而在此之前，这几乎是不可能的。”

该程序使用3D模拟引导电子束并复制大小仅为10nm-1um的复杂晶格和网格。这种模式能够跟踪电子散射路径以及二次电子的释放，来预测材料表面的沉积图案，并实现实验最终结构的可视化。

据 Fowlkes介绍, 这项工作的创新方面在于实验和模拟的融合。模拟指导实际实验；实验结果，反过来对模拟的精度和强度提供反馈。各项设计参数被输入模拟和草拟程序，在实验之前就可以知道由二次电子活动而有可能引发的不一致。

Fowlkes说： “在最简单的形式中，一旦我们发现了那些我们不需要的二次电子的发射状况，我们能够在它们附近进行设计。”

虽然与纳米材料科学中心的其他纳米制备方法相比，FEBID速度较慢，但它是唯一一项可以产生高保真三维纳米结构的技术。在构建过程中无法看到纳米结构，研究人员只能先依靠试验和误差，手动调整构建参数以产生所需的形状。

Fowlkes表示，现在的团队将致力于充分净化有碳污染的结构。净化的过程（所谓的原位净化）消除了在加工期间的杂质，使用水或氧气和激光来释放前驱体中的残碳并将它从结构中“冲洗”出来。这种模拟甚至可以包含碳消除过程的应力和预测最终产品的转换。

“我们在设计结构时可能会设计成扭曲的，这是考虑到在纯化时会发生收缩或缩短，最后才能成为正常的结构。”Fowlkes说道。

原文链接：Researchers combine simulation, experiment for nanoscale 3-D printing。

本文由编辑部杨洪期提供素材，陈露翻译，李卓审核。点我加入材料人编辑部。