西湖大學(xué)未來(lái)產(chǎn)業(yè)研究中心、工學(xué)院教師文燎勇的實(shí)驗(yàn)室里，有一種很常見(jiàn)的鋁卷，它和我們常見(jiàn)的鋁的樣子并不一樣，只有衛(wèi)生間的卷紙那么大。鋁卷的不遠(yuǎn)處，擺著一臺(tái)課題組定制的機(jī)器。10厘米見(jiàn)方的鋁片會(huì)被送進(jìn)這里，可以接受至少3次“蓋章”（壓印）加工。

實(shí)驗(yàn)室里很常見(jiàn)的鋁卷

這是文燎勇課題組經(jīng)過(guò)四年研究，成功開(kāi)發(fā)出的一種新型鋁基跨尺度3D制造技術(shù)。他們利用鋁在加工過(guò)程中產(chǎn)生的硬化效應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)了從納米、微米到宏觀全尺度范圍內(nèi)多種材料的高精度制造。這一技術(shù)在柔性電子、光學(xué)防偽和光電集成等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)研究論文“Aluminium surface work hardening enables multi-scale 3D lithography”于近日發(fā)表在《自然—材料》雜志。

實(shí)驗(yàn)室自研鋁基跨尺度3D壓印設(shè)備

200多年前，在拿破侖三世眼里，鋁還是深藏在凡爾賽宮偶爾用來(lái)“凡爾賽”一下的稀罕珍寶。但19世紀(jì)以來(lái)，鋁的工業(yè)化生產(chǎn)就已經(jīng)非常成熟，當(dāng)今中國(guó)鋁產(chǎn)量已經(jīng)占據(jù)全球一半以上，我們?cè)僖膊幌『薄颁X”了。對(duì)大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，每天手握鋁的時(shí)間可能都長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)小時(shí)，因?yàn)槎鄶?shù)手機(jī)和筆記本電腦的外殼就是鋁經(jīng)過(guò)陽(yáng)極氧化做出來(lái)的。

金屬材料在加工變形后，力學(xué)強(qiáng)度和硬度都會(huì)升高，這樣便阻礙了金屬進(jìn)一步變形，比如往鋁里摻入其他金屬元素，變成鋁合金后，鋁的強(qiáng)度密度會(huì)大大增加。文燎勇課題組正是利用了鋁金屬在加工過(guò)程中所展現(xiàn)出的硬化效應(yīng)，在對(duì)鋁一層又一層連續(xù)壓印中，確定保留各個(gè)尺度的精密結(jié)構(gòu)。

課題組開(kāi)發(fā)的鋁卷第一層，是納米級(jí)的圖案。幾千萬(wàn)個(gè)直徑只有100多納米的小孔，規(guī)律地分布在鋁片上。放大看，像在橡皮泥上戳了密密麻麻的針眼。第二層，疊加微米級(jí)的圖案。一樣是排列規(guī)則的小孔矩陣，只是直徑從100納米跳級(jí)到了10微米，像在綴滿針眼的橡皮泥上摁下幾萬(wàn)個(gè)手指印，凹陷處仍能清楚地看到第一層的針眼結(jié)構(gòu)。第三層，繼續(xù)疊加更大尺寸的圖案。像是朝著橡皮泥砸了一拳，拳印里有手指印，手指印里有針眼。

鋁基納米-微米-宏觀跨尺度3D壓印代表性實(shí)物和局部放大SEM圖

通過(guò)多層壓印和陽(yáng)極氧化創(chuàng)新結(jié)合，鋁基3D制造技術(shù)，可以同時(shí)對(duì)納米、微米、宏觀多個(gè)“圖層”進(jìn)行自定義設(shè)計(jì)和精細(xì)調(diào)控，從而在全尺度材料結(jié)構(gòu)制造中展現(xiàn)出極高的靈活性和精確性。

這樣的制造技術(shù)將對(duì)各種智能器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展建立堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。文燎勇表示：“現(xiàn)在越來(lái)越多的智能手環(huán)手表，可以測(cè)心率、氧飽和、睡眠質(zhì)量，而實(shí)現(xiàn)這些功能的傳感器，就是器件的一種。”以智能手環(huán)手表中用來(lái)監(jiān)測(cè)心率和血壓的壓力傳感器為例。壓力的感知往往與形變有關(guān)，如果在簡(jiǎn)單的平面上施加輕微壓力，變化可想而知不會(huì)很大；但如果這個(gè)平面變成各種各樣層層疊疊的結(jié)構(gòu)，壓力作用下器件中接觸點(diǎn)變多了，敏感性也就變強(qiáng)了。而高精度的跨尺度制造技術(shù)，還能讓對(duì)結(jié)構(gòu)具有完全不同需求的傳感器件集成到一起。

文燎勇和課題組博士生王朗用這項(xiàng)技術(shù)成功做出了第一款新型的、定制化的傳感器。他們?cè)谝豢钅軌虮O(jiān)測(cè)心率的器件中，通過(guò)一個(gè)3D集成系統(tǒng)，加入了汗液成分監(jiān)測(cè)功能，讓器件又能防水還能“吸水”。目前，實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)傳感器已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了連續(xù)一周的心率和汗液監(jiān)測(cè)，證明了其在實(shí)際生理監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用潛力。

文燎勇說(shuō)，鋁基跨尺度3D制造技術(shù)具有高度個(gè)性化定制的能力，非常適合與人工智能結(jié)合。“針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)景和功能需求，讓AI先完成結(jié)構(gòu)和材料的智能化設(shè)計(jì)，再由鋁基跨尺度3D制造技術(shù)精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，從而將柔性電子、光學(xué)防偽以及光電集成等諸多領(lǐng)域帶入高度智能化和定制化的時(shí)代。”

來(lái)源: 潮新聞

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