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  2016年頂級(jí)物理期刊《PHYSICAL REVIEW LETTERS》雜志發(fā)表了一篇研究論文，介紹了一種3D打印的超材料結(jié)構(gòu)，在加熱溫度升高的情況下出現(xiàn)收縮的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象完全顛覆了我們初高中所學(xué)的物理常識(shí)——“熱脹冷縮”。如今這種微結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)由深圳摩方材料公司產(chǎn)業(yè)化。

  之前曾對(duì)此做過(guò)報(bào)道，該研究由美國(guó)勞倫斯利物莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）、麻省理工學(xué)院（MIT）、南加州大學(xué)、加州大學(xué)洛杉磯分校科學(xué)家合作，首次3D打印出受熱收縮的全新超材料。這個(gè)新型結(jié)構(gòu)在降溫后還可恢復(fù)之前體積，能反復(fù)使用，適用于制作溫度變化較大環(huán)境中所需要的精密操作部件，如微芯片和高精光學(xué)儀器等。

  傳統(tǒng)大體積材料的熱力學(xué)特性都表現(xiàn)為受熱膨脹、遇冷收縮，而這次獲得的超材料完全相反，它在受熱時(shí)會(huì)收縮。該材料是用樹脂和另一種摻雜納米銅顆粒的樹脂打印出來(lái)的微晶格結(jié)構(gòu)，包含橫梁和空心點(diǎn)陣兩個(gè)部分，因不同材料受熱時(shí)相對(duì)位移不同，使得連接點(diǎn)處向內(nèi)拉伸，帶動(dòng)整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)向內(nèi)拉伸，從而表現(xiàn)出獨(dú)有的熱收縮特性。

  MIT機(jī)械工程系方絢萊教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了該研究的3D打印部分的工作。方絢萊教授在采訪中表示，他們采用的是顯微立體光刻3D打印技術(shù)，類似噴墨打印機(jī)和數(shù)字曝光機(jī)的結(jié)合。先將不同材料的液滴噴在一個(gè)透明窗口上，再通過(guò)數(shù)字投影機(jī)把圖案分別投射在需要固化的液滴背面。被光照過(guò)的區(qū)域就形成固體片狀結(jié)構(gòu)，附著在一個(gè)樣品支架上，窗口上沒(méi)有曝光的液滴則被清除。如此反復(fù)，可以得到所需的復(fù)合材料。

  方絢萊教授介紹，從每個(gè)單元來(lái)看，新結(jié)構(gòu)類似斜拉橋的設(shè)計(jì)，只是伸縮性好的鋼筋換成了相對(duì)柔軟的樹脂，剛度大的橫梁變成了摻銅納米顆粒的樹脂。受熱時(shí)柔軟的樹脂先伸長(zhǎng)，直到加固的橫梁也被拉動(dòng)而相對(duì)錨定的位置轉(zhuǎn)動(dòng)。總體上看，整個(gè)空心的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)就呈現(xiàn)收縮。
  這個(gè)新型結(jié)構(gòu)適用于制作溫度變化較大環(huán)境中的精密部件，如避免熱脹冷縮造成焦距漂移的光學(xué)鏡頭；長(zhǎng)時(shí)間使用發(fā)熱但不會(huì)影響穩(wěn)定性的微型芯片；提高太陽(yáng)能利用效率的器件；遇高溫食物能與真牙完美匹配的牙科填充物；甚至穿越太陽(yáng)強(qiáng)熱照射的人造衛(wèi)星等。

  如今，MIT方絢萊教授的技術(shù)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)由深圳摩方材料公司產(chǎn)業(yè)化，公司聚焦在微納打印系統(tǒng)及精密光學(xué)器件的研發(fā)和生產(chǎn)。摩方材料自主研發(fā)的nanoArchM300多材料3D打印系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度多材料3D打印，M300支持同時(shí)打印多種樹脂材料在一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)樣品中，適用于基礎(chǔ)理論驗(yàn)證及原理創(chuàng)新研究。其主要應(yīng)用在點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)材料、功能梯度材料、超材料、復(fù)合材料、復(fù)雜微流控，多材料4D打印等方面。
  nanoArch M300系統(tǒng)允許將不同材料以液態(tài)混合在一起涂布，然后再用紫外線光源形成精細(xì)圖案進(jìn)行固化。利用這一方法，研究人員可以將物體微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的橫梁按特定角度進(jìn)行有序排列（而非改變分子結(jié)構(gòu)來(lái)構(gòu)成新材料）。在所構(gòu)成的新材料中由于組成材質(zhì)不同，不同功能單元受熱的膨脹速率也有所不同，結(jié)果受熱時(shí)物體整體非但沒(méi)有膨脹，反而開始向里收縮，徹底顛覆了以往熱脹冷縮的原理。

  如同芯片加工等精密制造領(lǐng)域，超高精度的3D打印是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，首先需要有技術(shù)水平領(lǐng)先且質(zhì)量穩(wěn)定的設(shè)備，但設(shè)備僅僅是一個(gè)能力型的平臺(tái)，需要在打印材料，打印軟件，打印工藝，后處理工藝等多個(gè)方面不斷創(chuàng)新和突破，才能不斷做出顛覆性的成果，當(dāng)然這需要長(zhǎng)時(shí)間的基礎(chǔ)研究和工藝摸索。上圖是摩方研發(fā)團(tuán)隊(duì)，運(yùn)用超高精度打印技術(shù)，打印微彈簧結(jié)構(gòu)的顯微鏡照片，這種國(guó)際領(lǐng)先的精密加工水平，將進(jìn)一步推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，拓寬該技術(shù)的應(yīng)用。這種精度和結(jié)構(gòu)的材料，再結(jié)合其他工藝技術(shù)，比如表面金屬化工藝，未來(lái)可用于新型傳感器的研發(fā)和生產(chǎn)，在MEMS領(lǐng)域有應(yīng)用前景。據(jù)南極熊了解，這2個(gè)微型彈簧樣品，是由摩方材料公司的超高精度單材料打印系統(tǒng)nano Arch P110打印，該打印系統(tǒng)有2μm的XY打印精度，和5μm打印層厚精度，并有獨(dú)特的工藝和軟件算法，可打印微彈簧，超材料，微流控等三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料器件。