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3D粒子打印 微观领域的无限探索

2015-07-29 10:25
退思
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  宏观3D打印已经发展的如火如荼,而近来,世界各国的科学家们都在尝试从宏观领域扩展到微观领域,实现3D微打印。这种技术,无疑将会对未来制造产业产生革命性的影响,预示着未来科技将能够打印一切。

  劳伦斯柏克莱国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory,LBNL)的研究人员使用单层石墨烯作为一个清晰类透镜盖(Lens-like Cap)—称为石墨烯电池液(Graphene Liquid Cell,GLC)—为单个胶状奈米粒子的原子创造新的成像系统。“这个过程将大大简化反覆试验原子级(Atomic-scale)工程学的设计和重新设计过程。”LBNL的工作人员说。

  大多数电子产业使用的奈米粒子都存在于流体溶液中,且也被允许可处于干燥状态。常用的透射电子显微镜(TEM)可在奈米粒子干燥后为其成像,但是干燥的流体往往会扭曲奈米粒子的结构,而校正结构的过程通常相当复杂,一个设计完成在之前,须经过反覆多次的试验。LBNL的石墨烯可作为敏感奈米粒子的保护层。

  “作为保护层,石墨烯可能是最薄的(每张纸只有1个原子厚),可保护TEM真空室里的液体样品。”LBNL暨Molecular Foundry国家电子显微镜中心(National Center for Electron Microscopy)的科学家Peter Ercius说,“奈米粒子在液体中可以自由移动和旋转,向我们展示许多不同的视角,而这些视角被组合于一台电脑中,以生成奈米粒子架构的3D模型,我们所使用的容器只比奈米颗粒的尺寸稍大一些。”

  Ercius的团队第一次使用的新技术,他们称之为“SINGLE”—由石墨烯电池液电子显微镜鉴定的奈米粒子结构(Structure Identification of Nanoparticles by Graphene Liquid Cell Electron Microscopy)—可在电脑中显示3D模型,目的在于设计可以组合在一起的“积木”,以形成更大的特定电子和物理特性架构,满足现今许多产业需求。

  “我们的作法可能会影响现有液体生成的结构,且我们确定如何透过组合较小的结构建立较大架构。这可能也会对使用奈米粒子的制程有很大的影响,如催化(Catalysis),这是由于我们能够探索在原生液体环境中的奈米粒子3D结构。”Ercius告诉EE Times。

  在电子领域,奈米粒子被用在越来越多的各类新装置上,并改善现有装置的效能。例如,太阳能板(Solar Panel)和奈米电子电路都可以使用奈米粒子作为量子点,在光子到电子设备提高太阳能板的输出,以及让先进的半导体结点可接近原子等级。

  Ercius并指出,量子点的原子结构,包括他们的形状、表面和内部缺陷,都是调整其性能的关键参数,我们的方法可用于确定量子点的结构特性,从而提高其设计应用,包括光电子(Photonics)。

  在LBNL,Ercius的下一步将使用更快的每秒400帧的摄影镜头,以更精确的构造出TR3D模型,精准度可超越他们现在拥有的2奈米精准度设备。

  “我们的下一步是推动这项技术在粒子中使用的单个元素内,找到所有的原子。新的摄影机现在已经安装在我们的TEM上,并可以10倍的速度获得更高品质的照片,这应该可以协助我们实现此一目标。”Ercius进一步说明,“我们还计划去探索我们可以重建多大的粒子。”

  最终,该技术可以用来组装完整的电子和光子材料和甚至完整的装置,使用从下而上的方法结合不同的元件,透过每个奈米粒子表面的编码,使他们自动扣在一起。

  在LNBL的SINGLE是由美国国家能源部(U.S. Department of Energy)透过一个由多机构团队资助的研究人员所发明,也是由在Molecular Foundry的柏克莱实验室总监,暨科维(Kavli)柏克莱分校能源奈米研究所(Energy NanoScience Institute,ENSI)所长Paul Alvisatos所主导。其他参与者包括哈佛大学(Harvard University)教授Jungwon Park、澳大利亚莫纳什大学(Australia’s Monash University)教授Hans Elmlund,以及博士后和博士生Jong Min Yuk、David Limmer、Qian Chen、Kwanpyo Kim、Sang Hoon Han、David Weitz与Alex Zettl。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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