Frontier l 原子级3D打印，未来的材料制造技术？

| 3DScienceValley · 2016/07/14

记忆电阻、量子计算以及高效主流能量储存和转换技术等应用都需要用到原子级的定制材料，这就需要对原子进行3D打印。多年来，科学家们主要通过光刻技术和扫描探针技术来探索实现这一目标的方法。这些技术虽然具有一定的三维构建能力，但主要还是用于构建二维的表面结构。

美国橡树岭国家实验室（ORNL）的科学家通过对一系列聚焦的电子和离子束3D打印技术进行评估，推荐了适合在固体、液体和表面进行原子三维排列、组合的可替代技术。本期，3D科学谷将于谷友们一起了解一下ORNL 的科研成果。

将原子进行三维排列、组合

传统的3D打印机的工作原理是将打印对象进行分层，然后一层一层的制造出一个三维的物理结构，而ORNL的科学家们研究的技术则更加微观，他们使用的技术是将原子进行逐一的排列、组合，以制造出原子级的三维结构。ORNL科学家将这类技术称之为“directed matter”。

图片来源：ACS Nano

科学家认为这种原子级的3D打印技术可以制造出精确结构的材料。使用该技术人们将能够设计出在极端环境下更强、更轻、更牢固的材料，为能源、化学、信息学等领域提供经济的材料解决方案。虽然目前这种在3D空间完全控制原子排列和组合的3D打印技术还在探索阶段，但是ORNL 科学家相信该技术将成为未来材料技术的一个组成部分。

图片来源：3ders.org
左：显微镜中创建的3D 结构；右：模拟的3D结构

那么ORNL 科学家是通过什么样的设备实现原子3D打印的呢？原来一些用于其它研究领域的科学仪器发挥了重要作用。例如，透射电子显微镜。透射电子显微镜能够实现单原子成像、化学应变成像和皮米级结构映射，它使科学家能够制造出特征分辨率不到10纳米的新材料。ORNL 科学家表示，这种这种交互式的、结合了电子、离子的成像显微镜，可以作为下一代原子级3D打印设备的基础。

相关论文发表在《ACS Nano》杂志上，题目为：Directing Matter: Toward Atomic-Scale 3D Nanofabrication。