Ученые из Калифорнийского технологического института и Университета Цинхуа разработали новый метод, позволяющий точно изготавливать трехмерные металлические детали нанометрового масштаба. Этот процесс применим к различным металлам или сплавам, и производимые компоненты, несмотря на наличие микроструктурных дефектов, демонстрируют значительную прочность, открывая перспективы для применения в таких областях, как медицинские устройства, компьютерные чипы и космическое оборудование.
Исследователи опубликовали соответствующую статью в журнале Nature Communications, подробно описав свою технологию. Исследование, совместно возглавляемое профессором Джулией Р. Грир из Калифорнийского технологического института и Ху Цзяньго из Университета Цинхуа, использует двухфотонную литографию для поэтапного построения микроскопических объектов путем управления геометрией отдельных вокселей. Процесс начинается с фоточувствительной жидкости, где фемтосекундный лазер формирует структуру в гидрогеле, после чего вводятся соли металлов, такие как нитрат меди, и с помощью двухступенчатого нагрева создается металлическая реплика.
«Вот где происходит чудо», — говорит Грир. Процесс нагрева сначала удаляет органические соединения, оставляя оксиды металлов, такие как оксид никеля, и иногда на этом этапе продукт готов. Для других материалов второй нагрев с использованием восстановительного газа удаляет кислород, формируя структуру из чистого металла. Этот шаг приводит к сокращению объема до 90%, создавая компоненты размером менее 50 микрон со строительными блоками в нанометровом масштабе, такие как решетки или теплообменники.
Анализируя эти наноразмерные 3D металлические детали, команда обнаружила, что они содержат дефекты, такие как поры и границы зерен, которые в макроскопическом масштабе обычно делают материал хрупким. Однако, когда ученые включили фактические детали микроструктуры в модель, прогнозируемая прочность оказалась в 50 раз выше, чем у аналогичного макроскопического металла, демонстрируя эффект «чем меньше, тем иначе» в наномасштабе.
Грир подчеркивает, что модель была разработана сотрудниками из Наньянского технологического университета в Сингапуре на основе микроструктуры реально изготовленных деталей, а не идеализированных предположений. «Мы поместили в модель точную микроструктуру, которую обнаружили. Это не экстраполяция. Это не репрезентация. Это фактическая микроструктура, которую мы изготовили», — объясняет Грир. Это позволило модели впервые точно предсказать прочность деталей.
«Я думаю, эта работа по сути показывает, что в будущем, даже если мы будем «наноархитектурировать» наш мир с помощью пользовательских деталей, мы сможем надежно прогнозировать их характеристики, что общество еще не реализовало», — говорит Грир. «И нам не придется отбраковывать детали только потому, что они содержат дефекты». Этот прогресс открывает новые возможности для применения наноразмерных 3D металлических деталей.
Детали публикации: Автор: Кимм Фесенмайер, Калифорнийский технологический институт; Название: «Nano 3D metallic parts turn out to be surprisingly strong despite defects»; Опубликовано в: «Nature Communications» (2026).
