微纳金属3D打印技术应用：AFM测试探针材质是什么金属？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2023-07-23 09:05 标签： 测试探针材质是什么金属
　　《3D打印世界》讯/当“岂止于大”变成一句口号，大尺寸的3D打印也层出不穷，然而当人类将目光从宏伟与巨大中收回来时，发现微观世界中其实隐藏着更多的信息，好在科学家们已经在纳米尺度上对3D打印也有了突破性的研究，并且许多科研机构已经将纳米3D打印技术作为重点研究项目。（1纳米=0.000001毫米，人类的头发一般大概在50000 -100000纳米之间）　　皇家墨尔本理工大学拥有世界首台纳米级3D打印机　　据悉，澳大利亚皇家墨尔本理工大学发布的这款研究设备价值高达3000万美元，该大学称之为“世界第一部”纳米级快速3D打印机。　　　　其设备区域面积达1200平方米，3D纳米级打印机数秒内能制作出几千种模型结构，每种结构只有人类头发那么细。　　MNRF主管James Friend 称，有10支研究团队将会对该此新设备展开一系列项目研究。 Friend同时还是电气及计算机工程研究所的高级研究员，他认为：“该设备就是为了让研究人员能在纳米层级的界面上，能尽可能发挥想象来研发新技术。”　　Nanoscibe已有了商业化3D微型打印机：最小可达30纳米　　德国创业公司Nanoscibe发布了一款3D微型打印机，利用近红外激光来打印超小结构，最小可达打印30纳米。这台设备使用红外激光束，通过三维移动凝结光敏材料，形成想要的形状。　　　　这种叠加制造系统，速度远远快于目前技术水平，它可以用来打印医疗器械部件，电子机械系统，机器人模型（小到可以放在针头上！），是第一款商业化的纳米级3D打印机。　　韩国科学家开发出纳米级3d打印笔hyper　　韩国高丽大学的seongpil hwang以及他领导的研究团队制造出了这款的新设备。　　“据我们所知，我们的水凝胶3d打印笔是一种首创。”hwang介绍这台设备时说。“不过，我们还是受到三种技术的启发：美国西北大学chad mikin开发的蘸笔光刻（dip-pen lithography）技术；英国warwick大学patrick unwin开发的纳米吸量管（nanopipettes）；以及美国哈佛大学jennifer lewis开发的微喷嘴（micro-nozzels）技术。”　　　　这是第一款在纳米尺度工作的3d打印笔。笔尖有一个微观的水凝胶金字塔，其最尖端被浸泡在电化学反应驱动的电解液里。据了解，它的工作原理是水凝胶的尖端和超微电极之间形成一个纳米级的接触面。有一个纳米定位系统来确保这款3d打印笔在应用时的精度，并以规范在进行电镀时的法拉第吸附反应。　　这种纳米级的3d打印笔可以创建尺寸小于100纳米的3d结构。hwang和他的团队在测试时用这台设备成功地将十分细微的铂金沉积到了黄金电极上。　　　　通过水凝胶笔生成的纳米级铂金形状　　美国橡树岭国家实验室使纳米3D打印更精确可控　　　　美国橡树岭国家实验室（ORNL）与田纳西大学、Graz技术大学进行合作，开发出了一种基于仿真的强大工艺，用来改善FEBID（聚焦电子束诱导沉积技术）技术，可帮助用户控制，监视，并最终提供FEBID纳米打印精度。　　FEBID通过使用一个扫描式电子显微镜把电子束缩小至纳米级，把气态分子转变成微细固体沉积物表面上的一种增材制造技术，也是目前唯一能制造出高保真3D纳米结构的技术。　　在进行时，研究人员只能依靠不断试错，手动调整生成参数，以生成所需的形状。　　新工艺引入了3D仿真技术来指导电子束，复制尺度在10纳米到1微米之间的复杂晶格和网格。这种模式会跟踪电子散射路径以及二次电子的释放，来预测材料表面的沉积图案，以及可视化实验的最终结构。　　美国高校研发纳米晶体油墨，用于3D打印晶体管　　晶体管是电子产品中最基本的构建单元，但制造晶体管却高度复杂，需要高温、高真空的设备。　　　　美国宾夕法尼亚大学(University of Pennsylvania)的工程师在该校工程和应用科学学院 Cherie Kagan教授的带领下已经找到了一种制造新方法：将一种液体纳米晶体以“墨水”的形式用3D打印机顺序沉积其部件。　　据悉，Kagan的团队总共开发出了一组四种油墨，分别是：一种导体（银）、一种绝缘体（氧化铝）、一种半导体 （硒化镉），以及一种结合了掺杂剂的导体（银和铟的混合物）。科学家们可以通过向晶体管的半导体层掺杂杂质来控制装置传送正或负的电荷。　　科学家借助3D打印将优质纳米金属放大至宏观尺度　　弗吉尼亚理工大学（Virginia Tech）机械工程助理教授Xiaoyu Zheng领导的一个研究团队实现一种用3D打印机成功地按比例增大纳米结构材料的方法。　　　　他们制造出轻而有强度的高弹性金属纳米结构，并且将其成功按比例放大至数厘米。　　据悉，这些由分层3D建筑布置和纳米级空心管组成的多尺度金属材料的弹性比传统的轻金属和泡沫陶瓷高出4倍。此外，在纳米材料里，这些多层递阶结构的表面积不仅放大了材料的光学和电学性能，还可以到处收集光子能――除了在像光伏板这样的顶面上收集，还能在晶格结构内部收集。　　研究人员借此能模仿更广泛的天然材料。例如，许多骨结构是由从纳米级到宏观尺度的多层次3D结构组成的，而研究人员迄今都无法完全复制或控制这些3D结构。任何需要坚硬、有强度、轻而有韧性的材料的领域也都应该能从这种3D打印方法中受益。　　德国科学家直接用3D打印纳米级AFM探针　　原子力显微镜（AFM）使科学家能够在原子水平上研究表面。基本原理是使用悬臂上的一个探针来“感受”样本的形态，这种探针设计非常独特――或者非常长，或者形状很特殊，因此制造成本非常高。　　　　现在，德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的一个研究小组开发出了一种新技术，该技术使用基于双光子聚合的3D直接激光写入来制造定制的AFM探针。　　双光子聚合是一种3D打印技术，可以实现分辨率非常出色的构建效果。它使用一种强心红外飞秒激光脉冲来激发可用紫外线光固化的光阻剂材料。这种材料可促进双光子吸附，从而引发聚合反应。在这种方式中，自由设计的组件可以在预计的地方被精确的3D打印，包括像悬臂上的AFM探针这样微小的物体。　　据该团队介绍，小探针的半径已经小到25纳米了，这大约是人类一根头发宽度的三千分之一，任意形状的探针都可以在传统的微机械悬臂梁上使用。　　艺术家用3D打印超小纳米雕塑　　这批比人类头发丝还要细小的雕塑耗费了艺术家近十个月的时间去设计、雕刻和绘制，而最终的成品也只有通过显微镜才有可能看的到。　　　　与针孔相对比的纳米雕塑　　　　与人类精子（右上角）对比　　　　在头发丝上　　此文为《3D打印世界》原创，欢迎转载，并请注明来源（转载自《3D打印世界》） 　　《3D打印世界》――中国3D打印行业第一本专业月刊（点击可在线阅读） 　　搜索官方微信账号：“3D打印世界”，新鲜、有料、深度3D打印资讯，尽在3D打印世界！　　阅读(0)举报欢迎举报抄袭、转载、暴力色情及含有欺诈和虚假信息的不良文章。");
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近日，广东石油化工学院环境催化团队的李泽胜副教授在国际权威期刊《Advanced Functional Materials》（一区Top，影响因子18.808）以”Constructing Flexible All-Solid-State Supercapacitors from 3D Nanosheets Active Bricks via 3D Manufacturing Technology: A Perspective Review”为题，发表前景展望综述。广东石油化工学院为论文第一完成单位，化学学院李泽胜副教授为论文第一通讯作者，化学工程学院李泊林博士为论文第一作者，广西师范大学李庆余教授为第二通讯作者。论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202201166
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由于分级3D纳米片独特的几何特性和电子结构，它们表现出优异的电子迁移率、超高的比表面积和可靠的结构稳定性。因此，3D纳米片在电化学储能领域具有很大的应用前景。近年来，超级电容器以其充放电快、循环寿命长、安全稳定等优点引起了广泛关注。柔性化、小型化、智能化集成是超级电容储能器件的发展方向。新兴的3D打印技术，尤其是墨水直写模式，极大地提高了器件微结构的设计能力和控制精度。本文基于作者或其他团队前期对3D石墨烯纳米片和3D MXene纳米片的研究进展，提出利用先进的3D打印技术，利用活性3D纳米片实现柔性全固态超级电容器的设计。具有高比电容的材料。系统分析了叉指电极、多层骨架电极和纤维电极3D打印技术的设计方法以及柔性超级电容器的性能评估。本综述旨在为未来柔性全固态超级电容器的实际应用提供3D打印3D纳米片构建材料的设计、制备和性能优化的新概念和理论指导。本文提出利用先进的3D打印技术，利用具有高比电容的3D纳米片活性材料，实现柔性全固态超级电容器的设计。系统分析了叉指电极、多层骨架电极和纤维电极3D打印技术的设计方法以及柔性超级电容器的性能评估。
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图1：本综述的大纲插图随着个性化柔性电子产品（如柔性显示、植入式医疗、可穿戴电子设备）的兴起，对轻、薄、柔性的便携式储能设备的需求变得越来越迫切和尤为重要。作为柔性储能器件的重要组成部分，柔性超级电容器以其充放电速度快（即功率密度高）、循环寿命长、体积小、效率高、和很强的灵活性。特别是柔性全固态超级电容器可以保证在许多机械变形（弯曲、折叠、扭转、压缩或拉伸）和无数次重复变形下持续稳定的能量输出。这些优势确保了柔性全固态超级电容器是未来大多数柔性电子设备的良好且有前途的替代能源供应装置。目前，关于3D纳米片电极材料的设计和超级电容器的应用，评论层出不穷。最近，还发表了几篇关于 3D 打印技术在柔性超级电容器中应用的总结著作。这些综述分别为3D电极和柔性器件的设计提供了积极的指导意义。然而，3D纳米片材料和3D打印技术在柔性全固态超级电容器中的共同总结和展望却很少见。在这篇综述论文中，我们讨论了通过 3D 打印技术（或一些非打印技术）从 3D 纳米片（作为微电极的活性砖）构建柔性全固态超级电容器。本综述的主要内容包括：1）介绍了3D纳米片材料的基本类别和制备方法，总结了高性能电极材料的一般设计原则；2）基于针对性的设计案例，总结了3D石墨烯、3D MXene等3D纳米片的最新制备和应用进展；3）系统总结了基于3D打印技术（或其他技术）的3D纳米片多样化电极（微交叉电极、多层骨架电极、类纤维电极）的设计策略和全固态超级电容器应用；4）最后，我们还讨论了3D打印技术在基于3D纳米片的柔性全固态超级电容器的挑战和机遇。
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图2典型的 3D 石墨烯纳米片：A-D）树脂前体热解的 3D 石墨烯网络，E-H）氧化石墨热解的 3D 石墨烯网络，I-L）吐温前体化学活化的 3D 类石墨烯多面体，M-P ) 通过甘蔗渣前体的模板催化制备 3D 类石墨烯纳米笼。
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图3基于 3D 打印技术 (DIW) 的叉指电极设计：A) 采用 VN/GO 和 V 2 O 5 /GO 墨水的不对称电极，B) 采用 MXene/金属纳米线墨水的对称电极，C) 采用 MXene/碳纳米纤维墨水的对称电极, D) 具有单一 MXene 墨水的对称电极，E-G) 具有 MoS 2和 rGO 墨水的不对称电极（喷墨打印）。
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图4基于3D打印技术的多层骨架电极设计(DIW): (A)对称电极与氧化石墨烯墨水，(B和C)非对称电极与MXene和AC墨水，(D和E)全3D打印全碳凝胶超级电容器。
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图5典型的光纤电化学器件: (A)平行双纤模式，(B)扭曲双纤模式，(C-E)双层同轴光纤模式; 典型的3d打印光纤超级电容器:(F和G)多层同轴光纤超级电容器，(H)方截面光纤超级电容器。总结：在超级电容器领域，各种 3D 纳米片构建材料（包括 3D 纳米片粉末、3D 纳米片薄膜和 3D 纳米片气凝胶）已被广泛设计和制备，以提高电化学储能效率。在 3D 纳米片材料（如 3D 石墨烯和 3D MXene 纳米片）的制备中，模板法是最广泛的制备方法，包括固体球形模板（二氧化硅球和聚合物球）和原位模板（自发冰或定向冰晶）。3D打印技术（如DIW）可以实现不同尺寸的多孔电极（如叉指电极、多层骨架电极、纤维电极）的有效设计，其中，多孔电极中离子和电荷转移效率的显着提高有效地提高了电容器在高负载下的倍率性能。3D 打印技术在利用 3D 纳米片构建的电极材料设计柔性固态超级电容器方面显示出广阔的前景。此外，3D打印技术为引入电极设计等赝电容活性材料、精确调控其负载量和空间分布提供了极大便利，为开发具有超高能量密度的非对称超级电容器材料提供了新途径。在这篇综述论文中，为了进一步提高全固态超级电容器的实际器件能量密度，我们提出构建可压缩气凝胶电极（即多孔骨架木桩电极），通过 3D 制造技术（3D 打印技术或其他技术），由高电容 3D 纳米片活性砖（例如，3D 石墨烯、3D MXene 或其他金属 3D 纳米片）制成的紧凑型叉指电极、可穿戴纤维电极和柔性薄膜电极粉末）。目前，3D 打印技术已经从一些 3D 纳米片粉末材料（例如，MXene 和 MoS2 3D 纳米片粉末）用于全固态柔性或微型超级电容器。同时，通过超高比表面积“3-D 活化石墨烯纳米片”3D 打印电极设计柔性全固态超级电容器似乎更可取和有吸引力。此外，我们还提出了不对称水性全固态柔性超级电容器和非水性全固态柔性超级电容器的有前景的设计，以实现更高的电压窗口和更高的能量密度。*感谢论文作者团队对本文的大力支持。本文来自微信公众号“材料科学与工程”。欢迎转载请联系，未经许可谢绝转载至其他网站。
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