科学家发明3D打印超强超硬的超材料
科学家展示超材料
会 “超材料"是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。
"超材料"这一新的观念尚未被学术界，特别是材料学界完全接受。不过，作为一种材料设计理念，已开始为越来越多的学者所关注。
日前，美国Lawrence Livermore国家实验室 （LLNL）和麻省理工学院 （MIT）的研究人员使用一种被称为微光固化（microstereolithography）的3D打印技术开发出一种具有微架构的超材料（metamaterial），该超材料具有1万倍以上的刚度，并且可以用各种材料如金属或聚合物3D打印而成。
微光固化3D打印技术理论上类似于SLA 3D打印，但它是在微观尺度上进行的3D打印，精度极高，不仅可以3D打印一般物体而且能够打印出这个物体的微观结构。
如果你是拿显微镜（25倍）去观察常见的家用物品，你会发现，在显微镜下每个材料看起来都不相同。这是因为材料的不同导致的密度差异。当的材料越致密，它的强度越高，反之亦然。利用这些原理，研究团队开始着手构建新的超材料。
有关超材料的想法早在几十年前就有，但迄今为止只是纸面上一个复杂的数学模型。如今通过非常精确的微光固化3D打印机，研究团队打印出了这种令人难以置信的独特材料。
“我们发现，像气凝胶（一种泡沫玻璃]）这样即轻又疏松的材料，通过微光固化3D打印，其机械刚度媲美实心橡胶，并且比同类密度物质强400倍。这些样本可以轻松承受超过160,000倍自身重量的负荷。”研究人员Nicholas Fang解释说：“能达到这种超高刚度的关键是，这种材料的所有微结构元件都被设计成在约束和载荷下不弯曲。”
除了比密度相似的材料强400倍以外，这些材料也比其他超轻量级的晶格材料更硬100倍。研究人员能够通过对材料内部结构的设计，打印出重量极轻、强度和硬度非常高的超材料。他们已在陶瓷、金属、聚合物，以及聚合物—陶瓷混合物上对这种打印方法进行了测试，均得出了类似的结果。
由聚合物3D打印的单个单元 - 弹力为主的结构
“这是世界上最轻的材料。”LLNL的Spadaccini说。“不过，由于它的微架构布局，使得它表现出比非结构化类似材料的强度高出4个数量级。”
这意味着我们现在不仅能够3D打印我们所需要的外形，而且通过3D打印还能实现我们制定的物理特性，使他们更强、更硬、更轻。其应用前景非常广阔。比如可以打印移动设备的电池、自行车车架、汽车零部件、航空航天工程件、假肢等等。其他的研究人员认为，这项技术可以制造出平板材料，形成标准的单元，以便组装成更大的结构；还可以用来制造电路，创造出更小更高效的电子产品，
3D打印单元的完整阵列
如果不使用这些高度复杂的3D打印机，发展这些超材料及其复杂的三维微观几何形状几乎是不可能的。“现在我们可以使用桌面型3D打印机打印出坚硬或者有弹性的材料。”Fang说。“这使我们能够迅速做出许多样件，然后观察它们表现出来的特性。”
该研究团队的成员包括Rutgers大学助理教授Howon Lee、MIT的Nicholas Fang和 Qi “Kevin” Ge、以及LLNL的Christopher Spadaccini、Xiaoyu“Rayne” Zheng、Todd Weisgraber、Maxim Shusteff、Joshua Deotte、Eric Duoss、Joshua Kuntz、Monika Biener、Julie Jackson和 Sergei Kucheyev。他们的研究成果发表在6月20日的《科学》杂志上。
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