Беспорядок на атомном уровне при нанопечати металлов неожиданно повысил прочность

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 второй 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.



На третьем снимке — 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.


— 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.