微觀的世界，3D打印新突破!

材料牛注：隨著3D打印技術的不斷發展，打印的東西也開始從粗獷轉向了精細化，現在科學家們試圖將目光從宏觀轉向微觀，去尋找微觀世界的秘密。相信微觀世界一定會帶來驚喜。

在打印非常微小的物品時，3D打印技術的弊端就顯現了出來。試想,要打印的模型比水滴還要小，比頭發還要細，甚至只有常見細菌大小，此時可能真的要喊：臣妾做不到啊！

這種不可思議的微小結構在聚焦電子束誘導沉積技術（FEBID）的幫助下，或許可以成為現實。它可以將3D打印的尺寸控制在納米級。FEBID利用掃描電鏡的電子束凝結氣態前體分子在表面形成表面沉積。

以前，用這種方法是既費力，又容易出錯，而且還不能打印出稍大的（超過幾個納米量級的）復雜結構。目前，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的一個科研團隊，與田納西大學、奧地利格拉茨技術大學共同合作，開發了一個強大的模擬程序用于改善FEBID 技術，為納米制造引入新的可能性。

團隊負責人Jason Fowlkes是美國橡樹嶺國家實驗室納米材料科學中心，能源部科學用戶設備辦公室的研究人員。他表示，新系統把設計和生產融合成一個簡潔的工藝流程，能夠打印出復雜的三維納米結構。位于奧地利格拉茨市的項目合作者Harald Plank說：“它能夠準確設計自定義納米結構，這種能力使它開啟了在三維等離子、獨立納米傳感器和納米力學原理在納米級尺寸的一系列新應用，而在此之前，這幾乎是不可能的。”

該程序使用3D模擬引導電子束并復制大小僅為10nm-1um的復雜晶格和網格。這種模式能夠跟蹤電子散射路徑以及二次電子的釋放，來預測材料表面的沉積圖案，并實現實驗最終結構的可視化。

據 Fowlkes介紹, 這項工作的創新方面在于實驗和模擬的融合。模擬指導實際實驗；實驗結果，反過來對模擬的精度和強度提供反饋。各項設計參數被輸入模擬和草擬程序，在實驗之前就可以知道由二次電子活動而有可能引發的不一致。

Fowlkes說： “在最簡單的形式中，一旦我們發現了那些我們不需要的二次電子的發射狀況，我們能夠在它們附近進行設計。”

雖然與納米材料科學中心的其他納米制備方法相比，FEBID速度較慢，但它是唯一一項可以產生高保真三維納米結構的技術。在構建過程中無法看到納米結構，研究人員只能先依靠試驗和誤差，手動調整構建參數以產生所需的形狀。

Fowlkes表示，現在的團隊將致力于充分凈化有碳污染的結構。凈化的過程（所謂的原位凈化）消除了在加工期間的雜質，使用水或氧氣和激光來釋放前驅體中的殘碳并將它從結構中“沖洗”出來。這種模擬甚至可以包含碳消除過程的應力和預測最終產品的轉換。

“我們在設計結構時可能會設計成扭曲的，這是考慮到在純化時會發生收縮或縮短，最后才能成為正常的結構。”Fowlkes說道。

原文鏈接：Researchers combine simulation, experiment for nanoscale 3-D printing。

本文由編輯部楊洪期提供素材，陳露翻譯，李卓審核。點我加入材料人編輯部。