去年年底，加州理工学院的研究人员透露，他们已经开发出一种新的制造技术，可以打印出三到四张纸那么厚的微型金属部件。
现在，该团队已经重新发明了这项技术，可以打印出比原来小一千倍的物体:150纳米，相当于流感病毒的大小。在此过程中，研究小组还发现，这些物体内部的原子排列是无序的，这将在大规模上使这些材料无法使用，因为它们将被认为是弱的和“低质量”的。然而，在纳米级金属物体的情况下，这种原子水平的混乱具有相反的效果:这些部分可以比具有更有序原子排列的类似大小的结构强3到5倍。
这项工作是在Julia R. Greer的实验室进行的，她是Ruben F. and Donna Mettler材料科学、力学和医学工程教授;弗莱彻·琼斯基金会Kavli纳米科学研究所主任。描述这项工作的论文，“纳米级增材制造在具有分层微结构的纳米柱中抑制尺寸效应”，发表在8月份的《纳米快报》上。
这项新技术与该团队去年宣布的另一项技术类似，但每一步都是为了在纳米尺度上工作而重新设计的。然而，这提出了一个额外的挑战:制造的对象是不可见的肉眼或容易操作。
这个过程首先是准备一种光敏“鸡尾酒”，主要由水凝胶组成，水凝胶是一种聚合物，可以吸收许多倍于自身重量的水。然后用激光选择性地硬化这种混合物，以建立与所需金属物体相同形状的3D支架。在这项研究中，这些物体是一系列微小的柱子和纳米晶格。
然后将水凝胶部分注入含有镍离子的水溶液。一旦这些部分被金属离子饱和，它们就会被烘烤，直到所有的水凝胶都燃烧殆尽，剩下的部分虽然缩小了，但仍与原来的形状相同，完全由氧化的金属离子组成(与氧原子结合)。在最后一步中，氧原子被化学地从零件中剥离出来，将金属氧化物重新转化为金属形式。
在最后一步中，零件会发挥出意想不到的力量。
她说:“在这个过程中，所有这些热和动力学过程同时发生，它们导致了非常非常混乱的微观结构。”“你会看到原子结构中的孔隙和不规则性等缺陷，这些缺陷通常被认为是强度恶化的缺陷。如果你要用钢制造一些东西，比如发动机缸体，你不会希望看到这种微观结构，因为它会大大削弱材料的强度。”
然而，格里尔说，他们的发现恰恰相反。许多会在更大尺度上削弱金属部件的缺陷反而增强了纳米级部件。
当一根柱子没有缺陷时，沿着所谓的晶界(构成材料的微观晶体相互碰撞的地方)发生灾难性的破坏。
但是当材料充满缺陷时，失效就不容易从一个晶界传播到另一个晶界。这意味着材料不会突然失效，因为变形在整个材料中分布得更均匀。
“通常，金属纳米柱中的变形载体——即位错或滑移——会一直传播，直到它能从外表面逃逸，”该研究的第一作者、机械工程研究生张文新(音译)说。“但在内部存在孔隙的情况下，传播将很快终止于孔隙表面，而不是继续通过整个矿柱。根据经验，使变形载体成核比让它传播更难，这就解释了为什么现在的柱子可能比它们的同类更坚固。”
格里尔认为，这是纳米级金属结构3D打印的首批演示之一。她指出，这个过程可以用来制造许多有用的成分，比如氢的催化剂;储存无碳氨和其他化学品的电极;以及传感器、微型机器人和热交换器等设备的基本部件。
“我们一开始很担心，”她说。“我们想，‘哦，天哪，这种微观结构永远不会带来任何好处，’但显然，我们没有理由担心，因为事实证明它甚至不是一种损害。这实际上是一个功能。”
