近日，上海科技大学物质科学与技术学院冯继成课题组成功开发出一种具有纳米精度的高熵合金3D打印方法，为法拉第3D打印技术再添新篇。该方法开发了一种纳米精度的高熵合金3D打印方法，利用“人工闪电”将各种金属材料进行原子尺度混合，在常温常压载气的高速冷却下形成高熵合金纳米颗粒，通过控制电场空间构型，原位打印出组分可控、热稳定性极佳和力学性能优异的复杂高熵合金3D纳米结构，为高熵合金3D纳米结构在诸如芯片等微纳器件的应用提供了全新的可能性。相关研究成果以题为“3D-Printed High-Entropy Alloy Nanoarchitectures”发表于国际学术期刊Small。
图1. 法拉第3D打印高熵合金纳米结构及其优越性能总览
纳米器件逐渐向3D集成方向的发展，对材料空间自由度、机械性能、热稳定性提出了更高的要求。高熵合金（HEA）具有高熵效应、晶格畸变效应、慢扩散效应和鸡尾酒效应，展现出优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性。然而，目前高熵合金纳米结构的制造受到现有微纳制造技术的限制，如激光和电子束3D打印受制于微米级的粉体，无法加工高熵合金纳米结构；通过前驱体还原的3D打印技术难以适配高熵合金，聚焦离子束技术等纳米切割仅限用于单一柱状结构的性能研究。总体而言，在纳米尺度下具有灵活材料选择和复杂结构设计的HEA创制方法尚处空白，对应的结构性能的探究亦尚未开展探究。本研究成功将纳米3D打印拓展至高熵合金领域。
创制了小于3-nm的高熵合金纳米颗粒。通过“人工闪电”轰击块体材料表面，促使进而使其升华获得混合蒸气，在惰性气体的超快速冷却下共成核并形成高熵合金纳米颗粒，即通过“气–固”转化的动力学路径创制高熵合金纳米颗粒。组分可通过母材以及激发“人工闪电”的电路参数进行精准调配，可实现对任意元素组成高熵合金颗粒的高通量创制。
实现高熵合金纳米颗粒的原位打印。 在“人工闪电”形成的等离子体氛围下，部分HEA纳米颗粒携带单电荷，并被气流输运至打印位置进行原位打印，由于颗粒尺寸极小（< 3-nm），其在常温常压下将沿电力线轨迹运动。研究人员通过对电场进行设置，布设结构生长所需的电力线，即可实现各种复杂三维高熵合金纳米结构阵列的快速打印。在电场控制下，高熵合金纳米颗粒进行组装的过程中不涉及高能物理变化和化学反应，确保了所打印的高熵合金纳米结构及其纳米颗粒构建块组分的一致性。热稳定性测试中，即使在高温热处理下，高熵合金纳米结构依然能够保持结构完整和组分均匀。在高于单质金属2倍熔点的情况下，所打印的高熵合金3D纳米结构也能保持结构和组分的稳定，未出现无偏析，这得益于缓慢扩散效应。
图2. 高熵合金纳米结构成分均匀性和热稳定性
图3. 高熵合金纳米结构的力学性能极其原位过程的动态记录。
为了应对微纳器件对结构坚固稳定的需求，研究还针对HEA纳米结构进行了系列力学性能测试。该结构展现出极高的力学强度和韧性，其屈服强度优于其他制造手段。尤其在HEA纳米柱直径不断缩小的过程中，结构的力学强度还在不断增强。反复弯折纳米柱，结构仍能够恢复如初，展现出卓越的韧性。为了更直观展示其高强度与高韧性，团队特别设计并打印出具有极细支脚的结构。经过各种变形测试，细小支脚仍能支撑自身百倍大小的“身体”，且在弯曲过程中不断裂。该技术制备的HEA纳米结构所展现的高热稳定性、高力学强度和良好韧性，为其在微纳器件的应用提供了可能性。
此外，研究人员还展示了一种操控“傀儡”高熵合金纳米结构的方法。通过聚焦离子束（FIB）对所打印的高熵合金纳米结构进行处理，可赋予其“运动本能”，这一成果为未来的微机器人的探究提供了新可能方向。
本工作为设计任意组分以及各种复杂三维构型的高熵合金3D纳米结构提供了指导，推动了高熵合金在理论研究和实际应用中。这项技术也有望为受制于现有制造手段而难以实现的微纳器件带来新的发展机会。高熵合金纳米结构还蕴含着众多有趣且具有潜在应用价值的特性，在未来的工作中，冯继成课题组将继续深入探究，集成力、热、光、电、磁等性能开展探索，进一步拓展和加速高熵合金在微纳器件领域的应用。
上海科技大学物质学院博士研究生刘仕荣、硕士研究生张跃奇和艾金贵为本文共同第一作者，通讯作者为冯继成教授，上海科技大学为本项成果唯一完成单位。
论文标题：3D-Printed High-Entropy Alloy Nanoarchitectures
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202409900
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