斯坦福大学工程师用3D打印技术制造出数以万计特殊形状的纳米粒子

在纳米材料中，形状就是命运。也就是说，材料中粒子的几何形状决定了材料的物理特性。斯坦福大学的材料工程师利用三维打印技术制造出了数以万计的难以制造的纳米粒子，这些纳米粒子有望开发出能够瞬间改变形状的新材料。

截断四面体形成多个六边形晶粒的光学图像（上图）。键序分析通过不同的颜色显示出不同的六边形晶粒（下图）。颜色相同的相邻四面体表示它们具有相同的晶粒取向。比例尺为 20 微米。资料来源：David Doan 和 John Kulikowski

斯坦福大学机械工程助理教授温迪-顾（Wendy Gu）在介绍她发表在《自然-通讯》（Nature Communications）杂志上的最新论文时说："由纳米球轴承构成的晶体与由纳米骰子构成的晶体的排列方式不同，这些排列方式将产生截然不同的物理性质。我们利用三维纳米打印技术制造出了已知最有前景的形状之一--阿基米德截顶四面体。它们是尖端被削掉的微米级四面体"。

在这篇论文中，Gu 和她的合著者描述了他们如何纳米打印出数以万计的这种具有挑战性的纳米粒子，将它们搅拌到溶液中，然后观察它们如何自我组装成各种有前景的晶体结构。更重要的是，只需将这些粒子重新排列成新的几何图案，这些材料就能在几分钟内实现不同状态之间的转换。

这种改变"相位"的能力--材料工程师将其称为"变形"特性--类似于将铁变成回钢的原子重新排列，也类似于使计算机能够以数字形式存储 TB 级宝贵数据的材料。

她说："如果我们能学会控制由这些阿基米德截断四面体制成的材料中的这些相移，就能引领许多有前景的工程方向。"

长期以来，人们一直认为阿基米德截顶四面体（ATT）是最理想的几何形状之一，可用于生产易于改变相位的材料，但直到最近，这种材料的制造仍具有挑战性--在计算机模拟中可以预测，但在现实世界中却很难再现。

Gu 很快指出，她的团队并不是第一个大量生产纳米级阿基米德截顶四面体的团队，但他们是第一批（如果不是第一批的话）使用三维纳米打印技术实现这一目标的团队之一。

"利用三维纳米打印技术，我们几乎可以制造出任何想要的形状。我们可以非常小心地控制粒子的形状，"Gu 解释说。"通过模拟预测，这种特殊形状可以形成非常有趣的结构。当你能以各种方式将它们组合在一起时，它们就会产生有价值的物理特性。"

ATT 至少形成两种非常理想的几何结构。第一种是六边形图案，其中的四面体平放在基底上，截断的顶端朝上，就像一座纳米级山脉。Gu 说，第二种可能更有前景。它是一种准金刚石晶体结构，其中的四面体在朝上和朝下的方向上交替排列，就像鸡蛋放在鸡蛋盒里一样。这种金刚石排列方式被认为是光子学界的"圣杯"，可以引领许多新的有趣的科学方向。

最重要的是，如果设计得当，未来由三维打印颗粒制成的材料可以快速重新排列，在应用磁场、电流、热量或其他工程方法的情况下，很容易在不同阶段之间来回切换。

Gu 说，她可以想象，太阳能电池板的涂层可以全天变化，以最大限度地提高能效；飞机机翼和窗户可以使用新时代的疏水薄膜，这意味着它们永远不会起雾或结冰；还有新型计算机内存。这样的设想不胜枚举。

"现在，我们正在努力使这些粒子具有磁性，以控制它们的行为方式，"Gu 谈到她已经在进行的最新研究时说，她正在以新的方式使用阿基米德截顶四面体纳米粒子。"各种可能性才刚刚开始探索。"

编译自:ScitechDaily