В конце 2022 года исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) сообщили о новой методике изготовления металлических деталей микроразмерного масштаба с элементами толщиной примерно в три-четыре листа бумаги. Теперь те же учёные трудятся над технологией, которая позволяет печатать объекты в тысячу раз меньше — в 150 нанометров, то есть «ростом» с вирус гриппа.

При этом технологи также обнаружили, что расположение атомов внутри этих объектов неупорядочено. В бóльших масштабах это свойство сделало бы подобные материалы непригодными для использования, поскольку они считались бы слабыми и «низкокачественными». Однако в случае с наноразмерными металлическими объектами этот беспорядок на атомном уровне приводит к противоположному эффекту: такие детали могут быть в три-пять раз прочнее структур аналогичного размера с более упорядоченным расположением атомов.

Работу проводили в лаборатории профессора материаловедения Джулии Грир, а результаты опубликовали в журнале Nano Letters.

Новая технология похожа на другую, о которой тот же коллектив авторов сообщал в прошлом году. Но с каждым новым этапом процесс переосмысливается и совершенствуется для работы на наноуровне. Однако это создаёт дополнительную проблему: изготовленные объекты не видны невооружённым глазом и ими нелегко манипулировать.

Технология начинается с приготовления светочувствительного «коктейля», который в основном состоит из гидрогеля — это разновидность полимера, способного поглощать воду, во много раз превышающую его собственный вес. Затем этот «коктейль» избирательно обрабатывают лазером и так получают объёмный каркаса той же формы, что и желаемые металлические объекты. В новейшем исследовании изготовленные объекты представляли собой серию крошечных столбиков и нанорешёток.

На этой иллюстрации — наноразмерная решётка, изготовленная благодаря новой технологии.

Затем гидрогелевые детали пропитывают водным раствором с ионами никеля. Как только детали насыщаются ионами металлов, их обжигают до тех пор, пока весь гидрогель не выгорит. В остатке — детали той же формы, что и оригинал. Они соразмерно малы и полностью состоят из ионов металлов, которые на очередном этапе окислены, то есть связаны с атомами кислорода. На предпоследней стадии из деталей химически удаляют атомы кислорода, превращая оксид металла обратно в металлическую форму. На последнем этапе детали приобретают неожиданную прочность.

Нерегулярная внутренняя структура наноразмерного никелевого столба.

Профессор Джулия Грир рассказала, что все эти тепловые и кинетические процессы происходят одновременно и приводят к очень беспорядочной микроструктуре. Результат — дефекты, такие как поры и неровности в атомной структуре, которые обычно считают ухудшением прочности. Изготовители, например, блока двигателя, не захотели бы видеть в его деталях такой микроструктуры, потому что это значительно ослабило бы материал. Однако Грир подчеркнула, что технологи из Калифорнии обнаружили прямо противоположное: множество дефектов, которые ослабили бы металлическую деталь при большем масштабе, вместо этого усиливают наномасштабные изделия.

Когда стержень не имеет дефектов, разрушение происходит катастрофически вдоль так называемой границы зёрен — это места, где микроскопические кристаллы, из которых состоит материал, соприкасаются друг с другом. Но когда материал полон дефектов, разрушение не может легко распространиться от одной границы зёрен к другой. Это означает, что материал не выйдет из строя внезапно, потому что деформация распределяется более равномерно по всему объёму.

Обычно носитель деформации в металлических наностержнях, то есть линейный дефект кристаллической решётки либо скольжение, распространяется до тех пор, пока не сможет выйти на внешнюю поверхность. Но при наличии внутренних пор распространение быстро заканчивается на уровне пор вместо того, чтобы продолжаться по всему столбу. Как правило, создать носитель деформации сложнее, чем позволить ему распространяться, что объясняет, почему напечатанные нами столбики могут быть прочнее своих аналогов, — Вэньсинь Чжан, ведущий автор работы и аспирант кафедры машиностроения.

Профессор Грир считает, что они с коллегами одними из первых обнаружили такие последствия 3D-печати металлических конструкций на наноуровне. Она отметила, что этот процесс можно использовать для создания многих полезных компонентов: катализаторов для получения водорода, электродов для хранения безуглеродистого аммиака и других химических веществ, а также делать столь важные части устройств, как датчики, микророботы и теплообменники.