وقتی صحبت از پرینت سه بعدی حتی بزرگ‌ترین سازه‌ها می‌شود، توجه به کوچک‌ترین جزئیات است که تفاوت بین پرینت موفقیت آمیز یا بد را مشخص می‌کند. به منظور درک بهتر نحوه عملکرد اشیاء پرینت سه بعدی در مقیاس نانو، محققان موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) اخیراً کشف جدیدی انجام داده اند که منجر به توسعه تکنیک جدیدی برای چاپ سه بعدی فلزاتی شده است که کیفیتی بسیار بالا‌تر از قطعات با اندازه مشابه ارائه می‌دهد. این تحقیق توسط آزمایشگاه جولیا آر. گریر، پروفسور علوم مواد، مکانیک و مهندسی پزشکی و مدیر مؤسسه علوم نانو Kavli انجام شد. آزمایشگاه گریر با تکیه بر آزمایش‌های قبلی در سال 2022، یک تکنیک فرآیند ساخت را برای چاپ اجسام فلزی در ابعاد میکرو که می‌توانست به ضخامت چند تکه کاغذ باشد، توسعه داد. امسال این تیم اندازه را از مقیاس میکرو به مقیاس نانو رسانده است.
این تغییر، قطعات پرینت سه بعدی را در مقیاسی به اندازه یک هزارم نسخه‌های قبلی آنها کوچک می کند. نتیجه چیزی غیرمنتظره است: هرچه چاپ کوچکتر باشد، مواد در مقیاس اتمی نامنظم تر ظاهر می شوند. در یک سازه با اندازه معمولی، این اختلال ساختاری با کیفیت پایین و مستعد شکستگی را به دست می‌دهد. با این حال، در مقیاس نانو، چیدمان نامنظم این مواد منجر به ایجاد قطعه‌ای شد که سه تا پنج برابر قوی‌تر از ساختاری با اتم‌های مرتب‌تر اما منظم بود.
ساخت قطعه‌ای پایدارتر به لطف «نقص» تولید در مقیاس نانو
این فرآیند پیچیده شامل مخلوطی از هیدروژل است، پلیمری که می‌تواند مقدار زیادی آب جذب کند، که سپس با لیزر شکل می‌گیرد و باعث می‌شود مواد حساس به نور به شکل دلخواه سخت شوند. پس از این فرآیند سخت شدن، یون های فلزی نیکل دوباره از طریق محلول مایع وارد می شوند. سپس فلز توسط هیدروژل تشکیل شده جذب می شود تا زمانی که در معرض گرما قرار گیرد، که هیدروژل را می سوزاند. در مرحله آخر، هر گونه اکسیژن از داخل ساختار فلزی از طریق یک فرآیند جداسازی شیمیایی که یک سری بی‌نظمی‌ها را در ساختار فلز به جا می‌گذارد، خارج یا تبدیل می‌شود. با این حال، با کمال تعجب، اینها به جای از بین بردن قطعه، به استحکام بیشتر آن کمک می کنند.
پروفسور گریر می گوید: «همه این فرآیندهای حرارتی و جنبشی به طور همزمان در طول این فرآیند اتفاق می افتند و منجر به یک ریزساختار بسیار بسیار آشفته می شوند. نقص هایی مانند خلل و فرج را در ساختار اتمی می‌بینید که معمولا نقص های کاهش قدرت تلقی می‌شوند. اگر بخواهید چیزی از فولاد بسازید، مثلاً یک بلوک موتور، این نوع ریزساختار را در قطعه نباید داشته باشید زیرا به طور قابل توجهی مواد را ضعیف می کند. با این حال، این بی نظمی ها مانند منافذ، که در اندازه های بزرگتر ناخواسته هستند، نوعی مرز تقویت کننده در مقیاس نانو را تشکیل می دهند. این مرز اجازه می دهد تا ماده به جای شکستن حرکت کند و به دلیل توزیع یکنواخت این تغییر شکل ها در اطراف جسم، از آن حمایت بیشتری می کند. ونسین ژانگ، نویسنده اصلی پژوهش و دانشجوی مهندسی مکانیک، ادامه می‌دهد: «معمولاً حامل تغییر شکل در نانو ستون‌های فلزی – یعنی جابجایی یا لغزش – منتشر می‌شود تا زمانی که بتواند در سطح بیرونی فرار کند.» اما در حضور منافذ داخلی، انتشار به‌جای ادامه‌ی تمام مسیر در کل ستون، به سرعت در سطح یک منفذ خاتمه می‌یابد. به عنوان یک قانون نانوشته، هسته‌دهی یک حامل تغییر شکل دشوارتر از انتشار آن است، و نشان دهنده‌ی این است که چرا ستون‌های فعلی ممکن است قوی‌تر از همتایان خود باشند.
نتیجه نهایی، نگاهی جذاب به ساختارهای نانومقیاسی ارائه می‌کند که به طور موثر با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند. پروفسور گریر و تیم او امیدوارند که این موضوع بتواند به کاربردهای متعددی منجر شود که در آن افزایش دوام فلز چاپ شده سه بعدی در مقیاس نانو می تواند راه های جدیدی برای مطالعه و نوآوری ایجاد کند. برای اطلاعات بیشتر در مورد تحقیقات آنها، به این مطلب مراجعه کنید.
منبع: 3dnatives