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    3D打印技术跨越性里程碑,打造微米级中国地图

    2017-11-16 09:59:24 来源: 网易
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    测绘网讯  近日,诺贝尔化学奖授予了在冷冻电镜技术领域有突出贡献的科学家,让世界的目光再次聚焦于微观的世界。3D打印带来了世界性制造业革命,以前是部件设计完全依赖于生产工艺能否实现,而3D打印机的出现,将会颠覆这一生产思路,这使得企业在生产部件的时候不再考虑生产工艺问题,任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。

    如今,在深圳,国人自主研发的微纳米设备,也聚焦于微观世界,所生产的产品冲破国外垄断,运销欧洲和北美,甚至卖到了NASA(美国国家航空航天局)和常春藤高校等世界顶级科研机构,其中的微纳米3D打印系统不但可以打印出有序排列的人造细胞支架等微纳米级别的生物工程制品,甚至可以打出纳米级别的电路,制备柔性电子器件,助力人们的医疗健康和便捷生活。

    神奇盒子用“墨水”打印微纳米级材料

    把溶液通过微米级的喷嘴挤出,形成小于1 m-10 m(微米)直径的液滴,再通过电场力拉伸,在高精度3D运动平台的配合下,可以做出直径为0.01 m-1 m的点、线的各种组合,实现单根纳米纤维和单个量子点的有序沉积。这就是电流体动力3D打印机的工作原理。

    在深圳南山区科技园内,四五台全球最先进的微纳米级别3D打印机正在紧锣密鼓地加工中,几天之后,这些设备将分别发往北京、波士顿、迪拜。

    论颜值,这几台机器并未给人眼前一亮的感觉,冰箱大小的黑匣子里全部镂空,内部仿佛一个微波炉,而在盒子的顶部和下端,则留出一根超微小针头和载物台。不过,“长相”普通的它们,“能耐”却并不普通。

    “这台机器是中科院定制的,专门用于他们最新型的电子材料研究。”深圳通力微纳科技有限公司总工程师李春斌指着房间角落里一台机器告诉记者,这台黑色机器名为电流体动力3D打印机,工作原理是把溶液通过微米级的喷嘴挤出,形成小于1 m-10 m直径的液滴,再通过电场力拉伸,在高精度3D运动平台的配合下,可以做出直径为0.01 m-1 m的点、线的各种组合,实现单根纳米纤维和单个量子点的有序沉积。

    “可以理解为一台微纳米级别的3D打印机。”李春斌解释道,传统的3D的打印机实际上是一种宏观上的生产工艺,通过高温熔解和挤出堆积式工艺生产出各种各样的模具。另外,目前市场上现有的其他3D打印机,只能打印大于或等于喷头直径的点、线,而电流体动力打印可以打印小于喷头直径的点、线。

    而微纳米级别的3D打印机,所打印出的是微纳米级别的特殊结构。打印机将导电“墨水”置于机器当中,通过电场将这神奇的“墨水”,拉出一根根直径仅几十纳米到几微米的细丝,而这些细丝则按照既定电脑程序,排布成任意形状和三维结构的制品。

    李春斌介绍,拉丝的过程类似于纺织工艺中的“织布”过程,一根根细丝连成线,最后就可以在一个平面上“织造”出一张仅有纳米至微米厚度的薄膜。

    记者了解到,目前,这种工艺已被用于高端生物领域。2016年,广东珠三角的一家生物科技公司,通过定制这种微纳米3D打印机,来尝试生产可用于人体中的血管、手术隔离膜等组织。

    在通力微纳科技的实验室中,记者看到一张半透明薄膜,李春斌解释,这张薄膜的厚度仅有0.5mm,是一家生物材料公司所生产的用于可植入人体的组织,仅仅巴掌大小的薄膜,其市场价格就近数千元。

    用一克金做打印原料一整天都消耗不完


    测绘网讯 与其他的微纳结构制造技术相比,电流体动力打印具有设备简单、操作方便、成本低、原料来源广等优点,在众多领域如电子器件、柔性电子显示器、可穿戴设备、太阳能薄膜电池、微传感器、生物支架、组织工程、有机发光二极管、生物传感器、能量收集等领域具有巨大的发展潜力,并开始获得应用。3D打印机(3D Printers)简称(3DP)是一位名为恩里科·迪尼(Enrico Dini)的发明家设计的一种神奇的打印机,不仅可以“打印”一幢完整的建筑,甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。但是3D打印出来的是物体的模型,不能打印出物体的功能。

    除了生物类用品外,如何将微纳米材料应用于难度更大的微电子领域?中国科学院化学研究所研究院研究员张兴业告诉记者,这需要突破微纳米生产中此前无序抛丝的难题,即是要让纳米纤维能够有序地排布,而3D电流体动力打印机的研制成功,实现了 1 m的单个点、单根线的精确打印。

    纳米纤维的有序排布,让科研者对微纳米材料的的应用有了无限想象。“不但可以打印细胞支架,甚至可以做显微镜里才能看到的微型电路,进一步缩小电子元器件的体积。”李春斌说道,近年来,随着微纳米结构制造领域不断向前推进,微纳米3D打印设备成为全球微纳米结构研究者的“刚需”。

    与其他的微纳结构制造技术相比,电流体动力打印具有设备简单、操作方便、成本低、原料来源广等优点,在电子器件、柔性电子显示器、可穿戴设备、太阳能薄膜电池、微传感器、生物支架、组织工程、有机发光二极管、生物传感器、能量收集等领域具有巨大的发展潜力,并开始获得应用。

    张兴业告诉记者,此前,国内的微纳米结构制造领域研究者,为能制备出纳米纤维,大多使用高压静电纺丝机,“静电纺丝方法做出的纳米纤维膜是无序的排布,类似于无纺布的样子,目前应用领域包括过滤膜、医用膜、电池隔膜等。”

    实际操作中,随着研究工作的进一步深入和应用领域的不断拓展,越来越多的科研人员要求制备整齐排列的纳米纤维阵列。而在深圳,李春斌用一种全新的方式突破了无序生产的难题。在最新的3D纳米打印机中,仅1微米外径的针头不再像过往一样拉出微纳米丝,而是在玻璃板上,以3000 m/s的速度,打下一个个细点,“像打出一颗颗子弹一样”,最终汇聚成线。

    李春斌在电脑上向记者演示了用微纳米3D打印机绘制中国地图,几秒钟之内,一张微米级别的地图呈现在了玻璃板上。

    “针头运动的路线可以按照要求控制,这就代表可以生产任何路径的电路。”李春斌表示,一旦微纳米级别的电路技术成熟,那么在微纳米领域的生产制造将迈向一个全新的阶段。

    “墨水”转化为微纳米设备,这些纳米级电路是否稳定可靠?答案是肯定的,而这也是我国目前在化学材料领域所研究的重要方向,李春斌解释,相较于传统的蚀刻电路(先用原材料绘制整张样板,随后用药水擦掉不用的部分),这种打点法的消耗仅为原来的十分之一,再加上本身所制造的产品都是微纳米量级,因此相较于微米级别电路,纳米电路可以使用金等更加昂贵的原材料进行墨水调配,而成本并不增加。李春斌告诉记者,用微纳米3D打印机,使用一克金作为原材料,甚至可以打印一整天都消耗不完。
     

    南方日报记者 徐勉

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