研究人员使用3D打印机将百年理论转化为复杂的施瓦茨石

莱斯大学的工程师正在使用 3D 打印机将迄今为止主要存在于理论上的结构转变为具有复杂重复图案的坚固、轻便和耐用的材料。称为施瓦茨石的多孔结构是用计算机算法设计的，但莱斯大学的研究人员发现，他们可以将数据从程序发送到打印机，并制作用于测试的宏观聚合物模型。他们的样品努力使用尽可能少的材料，但仍然提供强度和可压缩性。

Advanced Materials报道的结果是艺术作品，有朝一日可能会导致纳米级电子设备、催化剂、分子筛和电池组件，并且在宏观层面上可能成为建筑物、汽车和飞机的高承载、抗冲击组件。

他们说，也许有一天可以将整栋建筑打印成一块施瓦茨石“砖”。

Schwarzites 以德国科学家 Hermann Schwarz 的名字命名，他在 1880 年代假设了这种结构，是数学奇迹，激发了大量有机和无机结构和材料的灵感。Rice 在诺贝尔奖获得者巴克敏斯特富勒烯(或巴基球)的发现为科学家探索从 2-D 表面设计 3-D 形式提供了进一步的灵感。

在 3D 打印机提供了第一种实用的制造方法之前，这种结构仍然是理论上的。材料科学家 Pulickel Ajayan 的 Rice 实验室与圣保罗坎皮纳斯大学的研究人员合作，通过分子动力学模拟研究了施瓦茨石自下而上的构造，然后将这些模拟打印成聚合物立方体的形状。

莱斯大学博士后研究员 Chandra Sekhar Tiwary 说：“它们的几何形状非常复杂;一切都是弯曲的，内表面具有负曲率，形态非常有趣，”领导了一项早期研究，该研究表明贝壳如何保护软体免受极端压力的影响通过在整个结构中传递应力。

莱斯大学实验室中的 3D 打印机勾勒出一块施瓦锌矿。schwarzite 的曲面在整个结构中重复，显示出优异的强度和变形特性。图片来源：布兰登马丁/莱斯大学

“Schwarzite 结构非常相似，”他说。“该理论表明，在原子尺度上，这些材料可以非常坚固。事实证明，使用聚合物使几何形状更大，可以为我们提供一种具有高承载能力的材料。”

他说，施瓦茨石还表现出出色的变形特性。“材料断裂的方式很重要，”蒂瓦里说。“你不希望东西灾难性地破裂;你希望它们慢慢地破裂。这些结构很漂亮，因为如果你在一侧施加力，它们会慢慢地一层一层地变形。

“你可以用这种材料建造一整座建筑，如果有什么东西落在上面，它会慢慢倒塌，所以里面的东西会受到保护，”他说。

由于它们可以采用多种形式，因此莱斯团队将其研究限制在原始和回旋结构上，这些结构具有施瓦茨最初设想的周期性最小表面。在测试中，无论哪一侧被压缩，两者都在结构的整个几何形状上传递载荷。这适用于原子级模拟以及打印模型。

通过分子动力学模拟研究纳米结构的坎皮纳斯大学教授 Douglas Galvão 说，这是出乎意料的。当蒂瓦里作为研究员通过物理学会和巴西物理学会访问巴西校园时，他提出了这个项目。

“打印结构中保留了一些原子尺度的特征，这有点令人惊讶，”加尔沃说。“我们讨论过，如果我们能将 schwarzite 原子模型转化为 3-D 打印结构，那就太好了。经过一些尝试，效果很好。这篇论文是有效的理论-实验合作的一个很好的例子。”

研究人员表示，他们的下一步将是用更高分辨率的打印机改进表面，并进一步减少聚合物的用量，使积木更轻。在遥远的未来，他们设想用陶瓷和金属材料以更大规模的方式打印 3-D 施瓦茨石。

“没有理由这些必须是块，”合著者和赖斯研究生彼得奥武尔说。“我们基本上是在制造完美的晶体，从我们可以在各个方向复制的单个细胞开始。”

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