3D-печать наноструктур из металлов. Что придумал Андрей Вятских

*

Технологии 3D-печати развиваются в разных направлениях. Одним принтеры увеличили размеры и они печатают огромные здания, другие наоборот миниатюризируют, добиваясь все меньших размеров получаемых изделий. Печатать металлические детали очень трудно из-за большого количества тепла, которое необходимо для плавления материала, но ученые не сидят сложа руки и изобретают все новые способы.

В калифорнийском технологическом институте (знаменитый Caltech) разработали метод создания изделий из металла со сложной структурой и микроскопическими размерами, в котором используется трехмерная печать.

Данная технология может стать прорывом во множестве прикладных областей. Использовать ее можно и для производства крошечных медицинских имплантатов, создания трехмерных логических схем в микроэлектронике, для разработки сверхлегких компонентов, используемых в авиации. Список продолжат сами инженеры, которые в дальнейшем увидят возможности нового метода. Возможно они создадут целый класс материалов с новыми характеристиками, основанными не на обычных свойствах металла, из которого они производятся, а на внутренней структуре. Подобно тому, как Эйфель или Шухов строили ажурные железные башни из звеньев, так и мельчайшие металлические изделия могут быть созданы не цельнолитыми, а состоящими из отдельных связанных друг с другом элементов. Этот метод описан в докладе, опубликованном в научном издании “Nature Communications”.

В трехмерной печати изделие создается постепенно - слой за слоем, и именно это позволяет делать структуры, которых невозможно добиться с помощью обычных традиционных методов обработки металлов - гравировки, фрезерования и т.п. Джулия Грир (Julia Greer) занимается в калифорнийском институте исследованиями в области материаловедения, и ее команда первой смогла создать ультратонкие трехмерные структуры с помощью 3D-печати. В ходе экспериментов были построены объемные фермы, ребра которых имели размеры в поперечнике всего лишь несколько нанометров, их даже невозможно увидеть невооруженным глазом.

Такие материалы начинают вести себя необычным образом, часто изделия получаются с удивительными свойствами, например Грир с коллегами создали исключительно легкую керамику, которая сжимается, а потом возвращается в исходное состояние. Возможно мы подходим к новой огромной неизведанной области инженерной науки - создания огромного количества новых материалов из знакомых нам на протяжении веков элементов.

Американские ученые экспериментировали с множеством привычных для трехмерной печати материалов, от керамики до пластмасс. С металлами, однако, все было сложнее, особенно при попытке создать структуры размером менее 50 мкм - а это примерно половина толщины человеческого волоса! Их способ создания наноструктур заключается в том, что высокоточный лазер выстреливает в определенные точки расплава всего лишь двумя световыми частицами - фотонами. Это обеспечивает достаточную энергию для отверждения маленьких участков жидкого полимера, но этого недостаточно для плавления и застывания металла.

При воздействии света на специальные полимерные смолы протекает химическая реакция полимеризации, которая позволяет получать твердые структуры и формировать их по выбранному алгоритму. С металлами этот процесс принципиально невозможен.

Однако один из учеников профессора Грир - Андрей Вятских придумал решение этой проблемы. Он использовал органические лиганды - молекулы, которые связываются с атомами металла, и с их помощью создал смолу, состоящую преимущественно из полимера, но которая внутри себя содержит нужный для готовой структуры металл. Трехмерная печать с этой смолой уже стала возможной. Подобно строительным лесам, полимер помогает выстроить “здание” из металла.

*

В эксперименте, описанном в “Nature Communications”, Вятских связал вместе органические молекулы и частицы никеля, создав расплав консистенцией примерно как сироп от кашля. Далее команда спроектировала будущую структуру материала, и с помощью специального программного обеспечения для трехмерной печати создала готовые изделия, используя все тот же двухфотонный лазер для отверждения. Получившийся результат состоял из полимера, несущего внутри себя ионы никеля.

После этого изделие помещали в печь и медленно нагревали до температуры, при которой никель еще не плавится, а органические молекулы - испаряются. Это примерно тысяча градусов Цельсия (температура плавления металла 1455 градусов). В процессе нагрева в результате пиролиза также получился эффект спаивания частиц металла друг с другом. В результате сделали деталь заданной формы и размера из металла, но с принципиально новой структурой, а значит с новыми свойствами, которые еще предстоит изучать.

Небольшим минусом данной технологии стало то, что при нагреве и выпаривании полимера линейные размеры изделия уменьшались, но они уменьшались пропорционально - форма сохранилась. С другой стороны эта усадка позволяет создавать еще меньшие структуры, диаметр никелевых “балок” составил примерно одну тысячную толщины кончика швейной иглы.

Грир и Вятских все еще совершенствуют свою технологию. Есть небольшие проблемы с локальными пустотами из-за испарившегося слишком интенсивно полимера, а также остаются небольшие примеси неметаллов, с этими недостатками ученые планируют справиться в ближайшее время.

Начав с никеля, они планируют продолжить эксперименты с другими металлами, в первую очередь их интересуют вольфрам и титан. Грир и Вятских также будут использовать свой метод трехмерной печати для создания структур из других материалов, как привычных типа керамики, так и экзотичных - полупроводники, пьезоэлектрические материалы (вырабатывающие ток в результате механических нагрузок). Пожелаем им успехов, судя по имени - это наш с вами соотечественник, и возможно когда-нибудь он получит за свою работу Нобелевскую премию!

*