自然界的介观结构是亿万年优化的“超材料”，而仿生科学的使命，是以工程智慧解码其物理本质，重塑人类技术边界。本期谷·专栏分享的研究成果，不仅为毛细流体学开辟了新范式，更预示着一个自驱动、低能耗、高通量的流体技术新时代。

“3D Science Valley 白皮书 图文解析

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在毛细管作用的驱动下，液体接触超亲液粗糙表面时会自发扩散到纹理中；这被称为毛细管芯吸，在微流体、自清洁表面设计和芯片实验室技术等中广泛应用，具有重要意义。然而，由于缺乏制造技术，介观尺度粗糙度下的吸液现象研究甚少。受生长于南美的小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的启发，来自中科院的研究团队利用3D打印技术制造模拟了介观毛状体阵列，并研究了高通量毛细管芯吸过程。与微纹理表面上均匀厚度的攀爬膜不同，毫米级长度和亚毫米间距的毛状体的间隔填充会形成厚度不均匀的薄膜。与微纹理表面占主导地位的粘性耗散不同，文章揭示了一种惯性主导的过渡区，具有介观芯吸动力学，并构建了一个标度律，使得高度在不同条件下增长到时间的三分之二次方。最后，研究团队拟植物的营养供应方式，研究了非均匀厚度薄膜内部的质量输送，并在薄膜中实现了开放系统虹吸，其通量饱和条件由实验确定。这项工作探索了介观结构中的毛细管芯吸，并在低成本高通量开放流体系统的设计中具有潜在的应用价值。

 主要内容

01 自然界的流体大师：小太阳瓶子草

在南美洲的云雾森林中，一种名为小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的食虫植物悄然生长。它的瓶状叶片内壁布满密密麻麻的毫米级毛状体，这些看似简单的结构，却是自然界历经亿万年进化而来的流体传输神器。

研究发现，当雨水或露珠落入瓶内，液体会在毛状体阵列上自发形成润滑层，不仅帮助瓶子草诱捕昆虫，还能高效排出多余水分，防止瓶内积水腐烂。这种介观尺度 (毫米级长度+亚毫米间距) 的毛状体结构，完美平衡了毛细作用与流体惯性，成为科学家破解高通量流体传输难题的新钥匙。

科学冷知识！

传统微流体器件依赖微观结构 (微米级)，但受限于低流量；而宏观管道又需要外部泵驱动。小太阳瓶子草的介观结构恰恰填补了这一空白！

小太阳瓶子草的表征

02 科学突破：3D打印仿生毛刷阵列

中科院团队用紫外光固化3D打印 (精度18微米！) 复刻了猪笼草的毛状体结构。

仿生毛状体阵列毛细管芯吸的微观视图与膜厚度分析

通过实验，他们发现了三个颠覆性现象：

1. 非均匀液膜：打破传统认知

在微观纹理表面上，液体通常形成均匀厚度的攀爬膜。但仿生介观毛刷阵列上，液体却呈现“上薄下厚”的非均匀分布，形如悬链线 (即两端固定自然下垂的曲线)。这种结构能自发形成压力梯度，底部高压推动液体向上输送，顶部低压则维持流动稳定性。

弯月面轮廓受力分析

2. 惯性主导区：新标度律诞生

传统毛细理论认为，液体爬升高度 (H) 与时间 (t) 的关系遵循卢卡斯-沃什伯恩方程 (H∝t¹/²)，即粘滞力主导。但团队发现，介观毛刷上的液体在过渡区竟呈现H∝t²/³的关系，证明惯性力才是关键驱动力！这一发现为高通量流体设计提供了全新理论框架。

3. 开放虹吸：无泵自驱动

团队将毛刷阵列弯曲成n形，打造出无需封闭管道的开放虹吸系统。实验显示，其流量可达传统虹吸的3倍，且仅靠毛细力即可跨高度输水。更妙的是，通过调节入口高度差 (hₘ)，还能实现流量精准控制——这一特性在微灌溉和芯片散热中潜力巨大。

绒毛阵列改性装置的毛细汲水效果对比

为什么重要？

现有微流体技术依赖复杂泵阀，而猪笼草仿生方案仅需结构设计即可实现自驱动、高流量、低能耗的流体操控！

03 仿生应用：从实验室走向产业

这项发表于Biomimetics 的研究，不仅揭示了自然界的流体奥秘，更催生了一系列颠覆性应用：

1. 芯片散热：告别风扇与水泵

电子器件发热是制约算力提升的瓶颈。仿生毛刷阵列可通过毛细作用自动输送冷却液，且流量远超微流道。未来手机或服务器可能内置“电子猪笼草”，静默高效降温。

2. 农业灌溉：零能耗输水系统

在干旱地区，开放虹吸结构能利用昼夜温差凝结露水，并通过毛刷阵列自动输送到作物根部，减少90%的能源消耗。团队已在实验室模拟沙漠环境测试成功。

3. 物质传输：仿生“植物静脉”

通过溶解营养物质 (如糖、盐) 的实验，团队发现非均匀液膜会优先在薄层区蒸发，使溶质定向结晶于顶部。这一机制可应用于药物缓释贴片或微反应器设计。

 结论与展望

本研究通过仿生设计与3D打印技术，成功复现了小太阳瓶子草 (Heliamphora minor) 的介观毛状体结构，揭示了其毛细芯吸过程中的惯性主导机制与非均匀液膜动力学，并建立了高度-时间标度律 (H∝t²/³)，填补了介观尺度流体传输的理论空白。本研究提出的介观毛细理论证明，毫米级结构可通过惯性效应实现高通量、自驱动的流体传输。基于此开发的开放虹吸系统，无需外部泵驱动即可达成3倍于传统虹吸的流量，为微流控、芯片散热及农业灌溉等领域提供了革新性解决方案。

当科学家向自然提问，答案早已写在亿万年的进化里。自然界的介观结构是亿万年优化的“超材料”，而仿生科学的使命，是以工程智慧解码其物理本质，重塑人类技术边界。这项研究不仅为毛细流体学开辟了新范式，更预示着一个自驱动、低能耗、高通量的流体技术新时代。

转载自：MDPI工程材料

原文出自 Biomimetics期刊
Chen, F.; Cheng, Z.; Jiang, L.; Dong, Z. Capillary Wicking on

Heliamphora minor-Mimicking Mesoscopic Trichomes Array. Biomimetics 2024, 9, 102.

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近日，一项受自然启发的创新研究为微通道热交换器的性能提升开辟了新路径。通过模仿江河中沙洲的形态，研究人员设计出一种3D打印的新型仿生通道，解决了传统锯齿形通道在传热与流阻之间难以兼顾的固有矛盾。

https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124309

 摘要

锯齿形通道印刷电路板式热换热器因其良好的传热性能，被广泛应用于核能、太阳能及航空航天领域。然而，锯齿形通道的高流动阻力会导致泵送功耗增大，从而限制了其整体性能。尽管先前的改进型通道能够降低印刷电路板式热换热器的流动阻力，但同时也导致了传热效率的下降。
受江河中沙洲的启发，来自西安交通大学等高校的研究团队提出了一种新型仿生通道。研究人员通过3D打印技术制备了该仿生通道换热器与传统锯齿形通道换热器。高温空气-空气流动与传热实验表明：仿生通道换热器在平均传热率提升1.5%的同时，显著降低了34.85%的压降。在转角处增设的翼型翅片有效缓解了因流动分离、再附着和碰撞产生的流动阻力，从而实现了更高的努塞尔数和更低的范宁摩擦因子。与倾斜角为15°的锯齿形通道相比，仿生通道的努塞尔数高出59%。本研究表明，相较于传统锯齿形通道，仿生通道能在保持高传热效率的同时显著降低流动阻力。

 效率与阻力的博弈

微型通道换热器与印刷电路板式换热器

微型通道换热器因其高紧凑度而被广泛应用于热能转换领域。印刷电路板式换热器（PCHE）是一种典型的微型通道换热器，适用于高温高压的工作条件。它采用化学蚀刻工艺，可以在金属板上加工出直径为0.5毫米至2毫米的半圆形通道或特定设计的翅片。随后，将多块带有通道或翅片的金属板堆叠起来，通过高温高压下的扩散焊接技术连接成一个整体。

这一制造工艺使得设计具有不同特性的通道以满足特定性能需求成为可能。微小的通道和翅片尺寸显著增加了传热面积，而扩散焊接技术则保证了连接强度接近母材，从而增强了其耐压性能。若采用如镍基高温合金和金属陶瓷复合材料等特种材料，还能进一步强化PCHE的耐高温和耐腐蚀性能。得益于这些优越特性，PCHE被广泛应用于高温高压传热过程，例如用于高温超临界二氧化碳（SCO₂）布雷顿循环以提高发电系统效率，在甚高温气冷堆（VHTR）中作为中间换热器，以及应用于聚光太阳能发电系统以提高传热效率。

PCHE的性能平衡与优化挑战

为了提升整个系统的性能，换热器必须具备高传热效率和低流动阻力，以最小化泵送功率。当前关于PCHE的研究主要集中于通过增加流动扰动来减薄边界层厚度，从而提高换热器效率。然而，这种方法通常会导致压降增加。因此，在微型通道换热器的设计中，必须在效率与压降之间取得平衡。

主要通道类型的特性与局限

PCHE的常见通道类型包括直通道、锯齿形通道、翼型翅片和S形翅片。直通道PCHE表现出最低的阻力系数，但由于缺乏边界层扰动，其传热效率也相对较低。锯齿形通道通过在拐角处引入扰动，有效增强了传热，但导致了显著的压降。针对锯齿形通道的优化研究（如改变倾斜角）表明，传热效率和压降会同时增加。然而，锯齿形通道，尤其是在采用大倾斜角时，表现出高流动阻力。因此，这类通道进一步发展的关键是在保持高传热效率的同时降低压降。一些基于锯齿形通道的改进设计（如插入直通道或采用蜂窝状排列）被提出，但它们在维持高传热效率的同时有效降低阻力的能力有限。

对于翼型翅片等连续通道PCHE，其主要特点是流动阻力较低，但机械性能较差，原因在于翅片与板片之间的接触面积较小。当前研究侧重于翅片形状的优化。研究表明，翼型翅片PCHE可以大幅降低压降，不同的翅片排列方式会影响其传热性能。S形翅片和正弦翅片等新型结构也被提出，并显示出优于传统锯齿形通道的热工水力性能。机器学习技术已被用于预测PCHE性能和优化其形状，以显著减少计算时间。

综上所述，连续通道与非连续通道换热器均存在特定问题：连续通道换热器常因接触面积小而导致机械性能较差；而如锯齿形通道之类的高效非连续通道则面临显著的流动阻力问题。传热的强化往往以压降的增加为代价，因此，有必要开发新的结构，以在效率与压降之间实现更好的平衡。

 3D打印结合仿生设计：博弈制胜的新路径

近年来，3D打印技术的发展为制造具有复杂通道结构的微型通道换热器提供了新的可能性，这有助于实现兼具高传热效率和低流动阻力的优化设计。

现有研究表明，3D打印技术为制造几何形状复杂的换热器通道提供了一种更为便捷的途径。本研究利用3D打印技术，开发了一种新型的仿生通道结构，旨在解决高传热效率与低流动阻力难以同时实现的挑战。

本研究介绍了一种结合锯齿形通道与翼型翅片的新型仿生换热器。该换热器采用3D打印技术制造，并通过对比实验研究其热工水力性能。具体而言，在流体流动方向发生改变的通道转角处，布置了高升阻比的翼型翅片，以降低压力损失。同时，在这些对流换热系数较高的转角区域，增加了额外的翼型翅片，以有效增大传热面积。这种设计方法旨在显著降低流动阻力的同时，保持可比的传热性能。

研究采用高温空气作为工质进行对比实验，以探究该仿生换热器的热工水力特性。基于实验研究，推导出了该仿生换热器的传热与流动阻力关联式。

 图文解析

图1. 仿自然通道设计。

图2. 换热器总体布局及板片结构。

图3. 采用3D打印技术制作的板片及换热器整体。

从左到右，从上到下依次为：
图5. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的传热速率变化。
图6. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的效率变化。
图7. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的压降。
图8. 不同质量流速下锯齿形通道和仿自然通道换热器的压降比。

从左到右，从上到下依次为：
图9. 不同热侧入口温度下锯齿形通道和仿自然通道换热器的传热性能。
图 10. 锯齿形通道和自然通道换热器在不同冷侧入口温度下的传热性能。
图 11. 锯齿形通道和自然通道换热器的努塞尔特数随雷诺数的变化。
图 12. 锯齿形通道和自然通道换热器的传热关联式比较。

从左到右，从上到下依次为：
图 13. 锯齿形通道和自然通道换热器的范宁摩擦因子随质量流量的变化。
图 14. 锯齿形通道和自然通道换热器的范宁摩擦因子的变化。
图 15. 不同通道类型努塞尔特数的比较。
图 16. 不同通道类型范宁摩擦因子的比较。

 结论

本研究以自然界中河流弯道上形成的河岛为灵感，提出了一种新型自然通道换热器。该设计有效解决了锯齿形通道中流动阻力大的问题，同时保持了较高的传热效率。该换热器与一台对比的锯齿形通道换热器均采用3D打印技术制造。开展了高温空气-空气流动与传热实验，比较了两种换热器在不同流量和入口温度条件下的流动和传热性能。获得了两种换热器的传热和摩擦因子关联式，并将其性能与不同类型的换热器进行了比较。研究得出以下结论：
(1)与传统的锯齿形通道换热器相比，自然通道换热器的传热性能略有提高，平均传热速率提高了1.5%。自然通道换热器的压降显著降低，平均降低了34.85%。自然通道在保持传热性能的同时，显著降低了流动阻力。

(2)获得了矩形截面锯齿形通道换热器和仿自然通道换热器的整体传热和摩擦因子关联式。随着雷诺数的增加，两种换热器的努塞尔特数均增加，范宁摩擦因子降低。然而，仿自然通道换热器的努塞尔特数略高，范宁摩擦因子低得多。这主要是因为在新型仿自然通道的拐角处增加了翼型翅片，有效地缓解了流动分离、再附着和碰撞造成的阻力。翼型翅片增加了对流换热面积，有效利用了拐角处的强化传热，使其努塞尔特数高于传统的锯齿形换热器。

(3)将仿自然通道换热器与五种常见通道类型进行了比较。在相同倾斜角度下，新型仿自然通道更具优势，具有更高的努塞尔特数和更低的范宁摩擦因子。与倾斜角度较小的通道相比，自然启发式通道的努塞尔特数比倾斜角度为15°的通道高出59%。自然启发式通道可以显著提高换热器的功率密度，或大幅降低其泵送功率。这两项改进均可有效提升系统效率。

本文参考来源：超临界二氧化碳动力循环

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3D打印，又名增材制造（Additive manufacturing，AM），因其得天独厚的自由成形能力极大地满足了高端装备和构件对高集成性、多功能性、轻量化、一体化的需求，被认为是制造领域的颠覆性技术。因而，3D打印材料在航空航天等领域得到极大关注和初步应用。然而，与传统制造技术相比，3D打印制备的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差，严重制约了其作为结构承力件的广泛应用。因此，如何提升3D打印材料与构件的疲劳性能是国内外学术界与工程界热切关注的焦点问题。

近期，中国科学院金属研究所材料疲劳与断裂团队带头人张哲峰研究员在前期疲劳损伤机制和疲劳预测理论指导下，与轻质高强材料研究部杨锐研究员团队开展合作，在3D打印钛合金抗疲劳设计制备方面取得了突破性进展，制备出具有优异疲劳性能的3D打印钛合金材料。该项研究成果于2024年2月29日以题为“High fatigue resistance in a titanium alloy via near void-free 3D printing”发表在Nature杂志上，金属所博士研究生曲展为论文第一作者，张振军研究员、美国加州大学伯克利分校Robert O. Ritchie教授、张哲峰研究员为论文通讯作者。

© 中科院金属研究所

 NAMP新工艺

在文中，研究人员首次明确提出：理想状态下3D打印技术直接制备出的钛合金组织本身（称为Net-AM组织）应具有天然优异的疲劳性能，而打印过程中产生的气孔等缺陷掩盖了其自身组织抗疲劳的优点，导致实际测量的3D打印材料疲劳性能大幅降低。因此，提升3D打印材料疲劳性能的关键在于消除打印气孔的同时，尽可能保留原始打印的组织状态。然而，目前消除气孔的工艺往往伴随组织粗化，而细化组织的处理又会带来气孔复现，甚至引发晶界α相富集等新的不利因素，可谓进退两难。

幸运的是，研究人员在Ti-6Al-4V合金中首次发现，高温下3D打印态组织的晶界迁移及气孔长大与相转变过程表现出异步的特性；这意味着，存在一个宝贵的热处理工艺窗口，既可实现板条组织细化，又能有效抑制晶界α相富集及气孔复现。为此，研究人员巧妙地利用了这一工艺窗口，发明了缺陷与组织分步调控的NAMP新工艺（Net-Additive Manufacturing Process）（图1），最终制备出几乎无气孔的近Net-AM Ti-6Al-4V合金。

图1. 打印态、NAMP态以及其他两种典型状态3D打印钛合金组织和缺陷特征：（a）打印态；（b）热等静压（HIP）态；（c）Near-net-AM态；（d）Net-AM态。

大量疲劳实验表明这一近Net-AM钛合金有效避免了从打印气孔、粗大板条及α相富集晶界等多种疲劳短板处开裂（图2），充分展示出3D打印组织自身所特有的高疲劳抗性：其拉-拉疲劳强度从原始态的475 MPa提升至 978 MPa，增幅高达106%（图3）。通过对比发现，这种近Net-AM组织Ti-6Al-4V合金不仅在所有钛合金材料中具有最高的拉-拉疲劳强度，而且在目前已报道的材料疲劳数据中，还具有最高的比疲劳强度（疲劳强度除以密度）。

图2. 不同组织疲劳裂纹萌生典型位置。（a）疲劳裂纹萌生位置表征的尖角逐层磨抛方法示意图；（b）Net-AM状态；（c）HIP状态：（d）Near net-AM状态。Net-AM状态的疲劳裂纹均从干净的初生β晶界（PBGBs）处萌生，成功避免了从缺陷和粗大组织开裂，从而表现出极高的疲劳抗力。

图3. 本研究工作制备的Net-AM组织钛合金的疲劳性能（R=0.1）：（a） Net-AM组织钛合金拉-拉疲劳强度与增材和锻造钛合金疲劳强度对比；（b）Net-AM组织钛合金与其他材料的比疲劳强度对比。Net-AM组织钛合金不仅在钛合金中具有最高的疲劳强度，而且在所有材料中表现出最高的比疲劳强度。
这项成果更新了人们以往对3D打印材料疲劳性能不高的固有认识，揭示了3D打印技术在抗疲劳制造方面的独特优势，展现了3D打印材料作为结构承力件在航空航天等重要领域的广阔应用前景。

该项研究得到了国家自然科学基金创新研究群体(52321001)、优秀青年基金(52322105)、重点基金(52130002)、叶企孙联合基金(U2241245)、中国科学院王宽诚国际合作项目(GJTD-2020-09)与中国科学院青促会(2021192)等项目资助。

来源 l 中国科学院金属研究所

论文引用信息：
Qu, Z., Zhang, Z., Liu, R. et al. High fatigue resistance in a titanium alloy via near-void-free 3D printing. Nature 626, 999–1004 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07048-1

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近日，澳洲皇家墨尔本理工大学校长特聘研究员宋廷廷所在的马前教授（Distinguished Professor）团队与悉尼大学西蒙·林格（Simon Ringer）教授团队合作，通过契合钛合金设计和3D 印工艺设计，成功制备了一类新型高性能钛-氧-铁（Ti-O-Fe）合金。

日前，相关论文以《3D打印高强度高塑性新型Ti-O-Fe合金》（Strong and ductile titanium-oxygen-iron alloys by additive manufacturing）为题发表于 Nature 上。

 以低成本原材料制备新型钛合金

研究团队通过使用“定向能量沉积”的增材制造技术，成功制备了这种Ti-O-Fe合金。通过改变两种相对廉价、甚至能免费获取的合金元素（Fe 和 O）在Ti合金中的比例，Ti-O-Fe合金拥有了与Ti-6Al-4V 合金相媲美的延展性，然而其强度却更加高。这些新型高性能Ti-O-Fe合金有望获得多方面的应用，包括在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域。

图1激光粉末沉积钛合金打印窗口（c 中绿区）和激光粉末沉积打印态 Ti-O-Fe 合金的微观结构 （详见论文图例解释）。d–g 的比例尺是一百微米，h–k 的比例尺是一微米

图2 激光粉末沉积3D打印态Ti-O-Fe合金室温下的拉伸力学性能（合金成分改变，3D 打印工艺不变）

合金设计的初衷充分考虑了“少就是多”（即低合金化）和循环经济的思想，即考虑到后续会利用铁、氧超标的等级外的海绵钛、来自3D打印循环过程中高氧含量的剩余钛粉或其它途径的高氧含量的钛粉，以及用氧量高的加工“废料”为原材料, 来制备这类新型钛合金。

此外，由氧所引发的脆性问题，发生在钛合金身上，也见诸于其他金属和合金，比如铌、钼、以及锆。如何解决或降低由此类间隙元素造成的脆性问题是物理冶金上一个挑战。

该高延展性、高强度Ti-O-Fe工作对该挑战有一定的启发性，即可以考虑通过合金设计的方法，引入一个能够“笑纳”氧或其它间隙元素的第二组成相，再结合第一性原理计算来预测间隙元素的分布。同时，施以量身裁体的 3D 打印工艺，就有希望针对由氧元素或类似间隙元素引起的脆性问题提供有效解决方案。

对于钛合金来说，在α相钛晶体的稳定和强化上，氮的能力比氧还要出色。同时，氮很容易让钛变脆，因此钛合金中的氮含量必须受到严格控制（<0.05%）。而借助本次研究所展示的思路，则有望造出基于3D打印的高性能Ti-N-Fe合金。另外，海绵锆与海绵钛的生产思路是一致的。因此，适用于钛合金的概念，理论上也有望用于锆合金。

另外，他们还使用尖端技术来表征这一合金，例如使用三维原子探针技术，详细探索了3D打印态Ti-O-Fe合金中的元素分布情况，精度可以达到原子级。

图3 激光粉末沉积 3D 打印态 Ti-O-Fe 合金中 Fe 原子和O原子的分布

 如何高效利用高氧钛粉？

据介绍，钛合金是一种轻质高强金属结构材料。α-β 双相钛合金是钛工业的主干材料，占据钛合金应用市场的半壁江山（α 相钛和 β 相钛，都是钛作为金属晶体存在的一种方式，各自对应着特定的原子排列方式）。自 20 世纪 50 年代以来，该类钛合金的生产主要通过向钛金属中添加铝和钒来实现。其中，铝被用于稳定和强化 α 相钛，钒则被用于稳定和强化 β 相钛。

氧和铁是两种储量丰富、价格低廉的元素，它们分别可以稳定和强化α相钛和β相钛。氧稳定α相钛的能力大约是铝的10倍；而铁稳定β相钛的能力大概是钒的4倍。

然而，氧被广泛称为“钛的克星”，原因在于，如果超过一个低的临界值含量，氧会极速增加钛合金的脆性。

铁虽然是最强的β相钛稳定化元素，但是，当把2%左右的铁作为主要的β 相钛稳定化元素加入钛合金之后，在通常的凝固条件下往往会形成难以消除的块状β斑，这会严重影响组织的均匀性，进而对钛合金性能造成诸多不利影响。

因此，利用传统制造工艺制备高性能α-β双相Ti-O-Fe合金严重受制于上述两个因素。

从原材料角度看，自20世纪40年代钛工业诞生以来，海绵钛金属的生产通常使用高能耗的克劳尔（Kroll）工艺。在这种工艺里，大约有5%-10%的海绵钛存在铁超标或氧超标的情况，属于低等级或等级外海绵钛产品，无法用来生产高性能钛合金。

假如能把这些低等级或等级外海绵钛转化为高性能的钛合金，必将带来重要的经济价值和减排效应。

此外，氧和钛具有非常强的结合能力。低氧钛粉在3D打印循环过程中，随着循环次数的增加，剩余钛粉的氧含量会逐渐增加进而可能超标。

而且，在非球形钛粉的生产工艺中，一部分钛粉不可避免会含有较高的氧含量。目前对这些高氧钛粉的有效再利用一直是一个难题。本研究也为解决这一难题提供了一个新的途径。

论文引用信息：

Song, T., Chen, Z., Cui, X. et Al. Strong and ductile titanium–oxygen–iron Alloys by additive manufacturing. Nature 618, 63–68 （2023）. https://doi.org/10.1038/s41586-023-05952-6 

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根据3D科学谷《革命性的突破，NASA 3D打印ODS合金 GRX-810可耐高达1000度的高温》一文，NASA 合金 GRX-810 是一种氧化物弥散强化 (ODS) 合金，可以承受超过 2,000 华氏度（1000多摄氏度）的温度，更具延展性。科研人员还在 1,093°C 下进行蠕变测试以比较这些合金的性能，与锻造 Haynes 230 相比，成品 GRX-810 达到 1% 应变所需的时间要长 500 多倍，与增材制造超级合金 718 相比要长 1000 多倍。

这些新合金可用于制造用于高温应用的航空部件，例如飞机和火箭发动机内部的部件，因为 ODS 合金可以在达到断裂点之前承受更恶劣的条件。

本期，结合论文《A 3D printable alloy designed for extreme environments》，3D科学谷将分享模型驱动的多主元素合金开发并洞悉数字化材料开发的发展趋势。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0

 多主元素合金

为了开发 NASA 合金 GRX-810，NASA的研究人员使用计算模型来确定合金的成分。然后，该团队利用 3D打印将纳米级氧化物均匀地分散在整个合金中，从而提高了高温性能和耐用性能。与传统的制造方法相比，这种制造工艺更高效、更具成本效益且更清洁。

a，GRX-810 的预测相位稳定性。b, 0 K 时计算的 NiCoCr 三元相图。表格显示了 GRX-810 的标称组成（重量百分比）。

© Nature

高熵合金，通常也称为多主元素合金 (MPEA)，是冶金界目前感兴趣的一类材料，多主金属合金 (MPEA)是指基体合金中含有大量金属元素的金属合金。多主元素合金是一类有利的材料，因为它们具有令人印象深刻的机械和抗氧化性能，尤其是在极端环境中。研究人员通过人工智能模型驱动的合金设计方法和基于激光的增材制造开发了一种新的氧化物弥散强化型 NiCoCr 基合金。

这种氧化物弥散强化合金称为 GRX-810，使用激光粉末床熔化3D打印技术将纳米级 Y2O3 颗粒分散到整个微观结构中，通过对其微观结构的高分辨率表征，展示了纳米级氧化物在整个 GRX-810 构建中的成功结合和分散。

通过GRX-810所3D打印的涡轮发动机燃烧器（燃料-空气混合器）是在 NASA Glenn中心进行 3D 打印的，这是具有挑战性的组件之一，可以从应用新的 GRX-810 合金中受益。与在 1,093°C 下广泛用于增材制造的传统多晶变形镍基合金相比，GRX-810 的机械结果显示强度提高了两倍，蠕变性能提高了 1,000 多倍，抗氧化性提高了两倍。这种合金的成功凸显了与过去的“试错”方法相比，模型驱动的合金设计如何能够使用更少的资源提供卓越的成分，该策略可以更深入地了解工艺-微观结构-特性关系，并量化改进的功能、特性和生命周期评估。这些结果展示了利用弥散强化与增材制造工艺相结合的未来合金开发将如何加速革命性材料的发现。

在过去十年中，大量科学研究发现了多主元素合金所展现的非凡特性。合金对可持续飞行的未来具有重大影响。例如，当用于喷气发动机时，ODS合金的更高温度和更高的耐久性能转化为减少燃料消耗并降低运行和维护成本。这类合金也被证明是坚固的，可以抵抗氢环境脆化，表现出改进的辐照性能并在低温下提供卓越的强度。因此，这些合金在高温和腐蚀性环境中的众多航空航天和能源应用中显示出巨大潜力，可以减轻重量并提高运行性能。

© NASA

一种特别感兴趣的 Cantor 合金衍生物是中等熵合金 NiCoCr。该合金系列在 Cantor 合金及其衍生物中提供了室温下最高的强度。最近的研究发现，NiCoCr合金在冷轧后进行部分再结晶热处理时显示出令人印象深刻的拉伸性能（1,100MPa 室温屈服强度）。这些特性也归因于应变诱导的面心立方 (FCC) 到密排六方 (HCP) 相变和局部层错变化。最近还探索了 NiCoCr 与难熔元素和间隙元素的合金化和掺杂。研究人员还发现用 30ppm 的硼掺杂高熵合金 NiCoCrFeMn 可显着提高强度和延展性，这归因于硼的晶界和间隙强化。

© 3D科学谷白皮书

最近的研究还发现，向NiCoCr 多主元素合金MPEA 添加碳可提高强度 。最后，研究人员还发现，在 NiCoCr 中添加三个原子百分比 (at.%) 的 W 会产生更细的晶粒结构（平均晶粒尺寸 1 μm），导致合金的屈服强度大幅增加（超过 1,000 MPa ，与非合金 NiCoCr 的 500MPa 相比），同时保持超过 50% 的卓越延展性。这些结果表明，多主元素合金MPEA 的显着改进仍然可以通过额外的合金化实现。

通过 L-PBF 选区激光熔融金属3D打印工艺生产的ODS NiCoCr，其中纳米级 Y2O3 纳米粒子通过高能混合过程涂在 NiCoCr 金属粉末上，不需要任何粘合剂、流体或化学反应。此过程不会变形或影响粉末球形形态，这对于高质量AM-增材制造组件很重要。使用这种方法生产了一种 ODS 合金，与非 ODS 对应物相比，该合金在 1,093°C 时的抗拉强度提高了 35%，延展性提高了三倍。

采用模型驱动的合金设计方法来优化 NiCoCr 合金，这一努力产生了一种新的组合物，该组合物通过L-PBF选区激光熔融金属3D打印工艺构建，这种新合金的特性，通过NASA格伦研究中心 810°C 以上的极端温度 (GRX-810)，表明与其他市售高温合金相比，蠕变强度提高了几个数量级，抗拉强度提高了两倍。研究人员探索了合金（NiCoCr、NiCoCr-ODS、NiCoCr-ODS 添加少量 Re（1.5wt%）和 B（0.03wt%）（ODS-ReB））。这项研究证实了模型驱动的合金设计和 AM-增材制造工艺的成熟，可以生产具有以前传统制造技术无法实现的特性的下一代材料。

 更快的材料开发

根据3D科学谷的市场观察，模型驱动以及人工智能算法驱动的材料开发正在渗透到3D打印领域。此前，RWTH亚琛工业大学DAP数字增材制造学院推出了快速合金开发 (RAD) 的策略：使用预合金粉末材料作为起始基础，并通过添加元素粉末有目的地进行改性，以便有效地为优化 PBF-LB加工过程创建新的合金组合。这其中还涉及到多种仿真方法，以及实验过程中开发的各种监测手段。例如在 DAP 和 IEHK 的应用示例中，研究人员通过精确调整碳含量 (C) 来修改预合金钢粉末 (X30Mn22) 的性能。碳对 PBF-LB 工艺中材料的可加工性以及增材制造部件的拉伸强度和断裂伸长率有重大影响。为了研究不同粉末成分的性能，由不同比例的 X30Mn22 粉末和碳粉组成的粉末混合物来进行PBF-LB 工艺（高达 1.2 wt% C）加工；所有组合物的相对密度均大于 99.8%。

在多主元素合金方面，美国马里兰大学李腾教授等人开发了一种以属性为导向的MPEA设计策略，该策略将分子动力学（MD）模拟、小样本机器学习（ML）和遗传算法 (GA) 相结合，以高效地同时优化多个性能指标。作为演示，ML模型可以通过54 次MD模拟进行有效训练，以预测CoNiCrFeMn合金的刚度和临界分辨剪切应力 (CRSS)，相对误差分别为2.77%和2.17%。

根据《人工智能+3D打印=？》一文，正如人工智能在药物领域的作用，一款新药从开始研发到临床试验再到投入市场，通常需要10-15年；随着数字经济时代的到来，大数据、人工智能等技术的应用，将大大缩短药物研发时间，提升效率和质量。在制药行业，人们有兴趣实施AI驱动的解决方案以发现新药并加快将其推向市场的速度。食品和药物管理局进一步推动了这种兴趣，促进将基于AI的技术用于药物开发的创新。总体来说，AI和机器学习旨在改变药物发现过程，从而降低财务成本和上市时间。

全世界有数以百万计的商业材料，其特点是数百种不同的特性。使用传统技术探索我们对这些材料所了解的信息，提出新的物质，基质和系统，是一个艰苦的过程，可能需要数月甚至数年。通过了解现有材料数据中的基础相关性，估算缺失的属性，人工智能可以快速，高效，准确地提出具有目标属性的新材料 – 从而加快开发过程。

人工智能用于合金设计与优化
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同样的事情，将发生在3D打印领域的材料开发方面，人工智能将在两个维度上发挥作用：降低材料开发的财务成本和开发周期。人工智能将在创建更坚固、更轻、更灵活且生产成本更低的材料中发挥超乎想象的作用。

在这种特定情况下，机器学习通常可以用来开发新材料。材料科学家只需要将所需的特性输入程序，机器学习算法便可以预测哪些化学结构单元可以在微观水平上结合在一起，从而创建具有所需功能和特性的结构。

下一期，将继续分享GRX-810的微观结构及性能测试情况。

论文链接https://www.nature.com/articles/s41586-023-05893-0

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螺旋结构在自然界中无处不在，螺旋结构具有独特的机械性能和多功能性。到目前为止，模拟这些自然系统的合成结构是通过缠绕、扭曲和编织等方式实现的。 然而，这些制造方法无法同时在来自广泛材料的任意二维(2D) 和三维 (3D) 图案中创建具有亚体素控制的多材料、螺旋结构的细丝。哈佛大学Lewis团队开发旋转多材料3D打印（RM-3DP）技术可实现异质螺旋亚三维结构，该技术能够对方位异质结构细丝的局部方向进行亚体素控制。 该研究技术以题为“Rotational multimaterial printing of filaments with subvoxel control”的文章发表于Nature上。

本期谷.专栏，将分享以上相关研究论文的主要内容。

相关研究发表在Nature上。

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05490-7

 研究亮点

根据论文，哈佛大学Lewis团队开发的RM-3DP技术主要具备两个特性：(1)具有非均匀亚体素控制特征的多材料喷嘴，(2) 允许多个压力控制喷嘴自由旋转打印头设计。这种喷嘴具有“壳-扇芯”几何结构，其中通过扇芯元件产生异构结构。通过这种具有特殊内部特征的喷嘴，使得RM-3DP这种3D打印技术可以进一步实现复杂性更高和功能性更强的特殊结构。

RM-3DP技术可以直接从外壳-风扇芯喷嘴共同挤压两种粘弹性墨水，同时形成介电外壳和螺旋几何形状的导电三维结构组件。介电弹性体组件由柔软的丙烯酸聚合物组成，导电油墨则为含有炭黑颗粒的聚合物。在施加的电压下，3D打印的导电三维结构会出现轴向驱动和扭转。根据制备时所采用的角速度不同，其表现出的电驱动行为也不同，例如当螺旋角降至45°以下时，预计会发生从可收缩应变到可拉伸应变的转变。

旋转多材料3D打印
© Nature

通过以角平移速度的受控比率连续旋转多材料喷嘴，哈佛大学Lewis团队在几种材料之间创建了具有可编程螺旋角、层厚度和界面面积的螺旋挤出喷嘴。

旋转多材料3D打印
© Nature

使用这种集成方法，哈佛大学Lewis团队制造了由具有高保真度的螺旋介电弹性体致动器和嵌入介电弹性体基质中的可单独寻址的导电螺旋通道组成的功能性人造肌肉。 哈佛团队还制造了分层晶格结构，包括结构化的螺旋支柱，包含刚性弹簧的柔性矩阵结构。

旋转多材料3D打印
© Nature

RM-3DP增材制造技术为在仿生结构中生成多功能材料开辟了新途径。利用RM-3DP技术还可以生成结构不同复合材料，通过这一技术可以将坚硬的丙烯酸弹簧嵌入柔软的丙烯酸基体中，通过3D打印由刚性和柔软组成的亚三维晶格结构，动态紫外线固化可减少材料接触时之间的相互扩散。

旋转多材料3D打印
© Nature

通过调控3D打印过程的角速度，可以制造出具有不同力学性能的细丝。通过RM-3DP增材制造技术，可以设计每一个晶格框架的力学性能，实现差异化和结构化打印。

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近日，中国科学技术大学倪勇教授、何陵辉教授研究团队发现仿贝壳结构在较高冲击速度下会丧失此类优异的抗冲击耗能机制，其性能弱于普通层状复合结构；基于此现象，进一步突破以往随机混合的耐冲击结构设计方案，提出一种利用不同结构来匹配冲击速率变化的混合结构抗冲击设计策略，为抗冲击性能优化的微结构仿生设计提供了新的思路。

相关论文以 “Anomalous inapplicability of nacre-like architectures as impact-resistant templates in a wide range of impact velocities”为题发表在国际期刊《Nature Communications》。

 提出优化的混合结构设计策略

珍珠层是自然材料中最具有代表性的结构仿生模型之一，通过“砖块-灰泥”结构相关的内在变形机制可以将能量耗散提升几个数量级。现有研究已充分展现出仿贝壳结构在部分低冲击速度下，作为防护材料抗冲击设计模板的优越性。但在自然环境下，贝壳会经常被捕食者以一定的冲击速度击碎，不清楚仿贝壳结构在更大范围的速度加载下是否仍然具有显著的抗冲击性能。

图1 加载速度的影响：(a)自然现象 (b)前人研究工作

研究团队制备了激光雕刻结合层压组装的仿贝壳玻璃结构，以及三维数字模型结合3D打印的仿贝壳软硬复合材料结构，通过力学测试-损伤表征的实验研究并结合数值模拟和理论分析，详细探究了仿贝壳结构在不同冲击速度下的力学性能和损伤机制。研究发现，在一定低速冲击范围内，仿贝壳结构会表现出卓越抗冲击耗能，而当冲击速度超过临界值时，仿贝壳结构的抗冲击性能相比于普通层状结构将不再具有优势。在低冲击速度下，仿贝壳结构中的砖块滑动机制会更早被激活，产生大范围非弹性变形，并于临界速度下达到耗能饱和状态；而层状结构通过层间大面积脱层和层内裂纹扩展，会在更高的冲击速度区间内耗散更多的能量。

图2 冲击速度对仿贝壳结构抗冲击性能影响：(a)层状结构与仿贝壳结构耗能比值 (b)贝壳结构砖块滑动机制表征

数值模拟和标度律分析进一步揭示了当达到临界冲击速度后，仿贝壳结构和层状结构抗冲击性能的优势总会出现反转这一现象的内在机理。临界冲击速度的大小与仿贝壳结构的砖块纵横比等尺寸参数和冲击边界条件相关，这间接解释了自然界中具有纳米级“砖块-灰泥”结构的贝壳可能会被捕食者以14.7-23.5 m/s速度击碎的现象。

图3 冲击速度影响抗冲击性能的机制分析：(a)结构耗能随冲击速度变化的标度律 (b)仿贝壳结构砖块纵横比影响

利用这种现象，研究人员根据冲击速度在材料内部沿加载方向衰减的特性，提出了一种将各种结构按抗冲击性能的优势速度范围逐层放置的混合结构设计策略。优化的混合结构可以成功结合仿贝壳结构和层状结构在不同冲击速度下的耗能优势，在更大的冲击速度范围内实现最优的抗冲击性能。

图4 混合结构设计策略：(a)混合结构设计示意图 (b)不同冲击速度下耗能情况

这一混合结构设计策略易于实现、效果显著，未来可通过结合其他结构在冲击速度上的不同优势进行多层组合，提高防护结构材料在更大冲击速度范围内的综合抗冲击性能。

论文第一作者为中国科学技术大学近代力学系博士研究生张潇、博士后吴开金。本研究得到国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项、博士后创新人才支持计划和中科大青年创新重点基金等项目的支持。

论文链接https://doi.org/10.1038/s41467-022-35439-3

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3D打印技术的设计自由度高，几乎可以制造任何复杂几何形状的零件，在航空航天、汽车、生物医学和能源领域正在引领着金属零部件制造的新时代。目前，钛合金是航空工业中使用最多的3D打印金属材料。

由澳大利亚蒙纳士大学、中科院金属所、上海理工大学、澳大利亚国立大学、澳大利亚迪肯大学以及美国俄亥俄州立大学展开全方位合作，利用3D打印技术大幅提升现有商用钛合金的强度，使其具有现有所有3D打印金属中最高的比强度。研究人员利用3D打印工艺独特的热循环和快速凝固特点，在材料中形成致密、稳定和多重内部孪晶的独特纳米沉淀微观组织结构，从而获得y所未有的机械性能。虽然现有工作已经证明在纯金属中实现高密度的纳米孪晶和纳米沉淀相可以获得异常高的强度和足够的延展性，但这种具有致密内部孪晶的纳米沉淀相在现有商用合金中的研究还是首次报道。

近日，相关研究成果以“Ultrastrong Nanotwinned Titanium Alloys through Additive Manufacturing”为题发表在Nature Materials期刊上。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41563-022-01359-2

 图文解析

在这项工作中，研究人员使用常用的激光粉床3D打印技术，制备了一种商业钛合金（Beta-C）。对打印试样进行了两种不同温度的直接时效热处理。图1a为拉伸应力应变曲线，显示经过480°C和520°C热处理的样品具有出人意料的高强度。经过480°C热处理后，极限强度达到了1611 MPa并保持了5.4%的均匀伸长率。这种强度高于迄今为止报道的所有3D打印钛合金、钢、铝合金以及镍基高温合金，如图1b所示。此外，这种合金的强度和延展性可以通过调整热处理方案来调控，从而满足特定应用需求。

图 1：通过激光粉床3D打印以及后续热处理制备的商用 Beta-C 钛合金的拉伸性能。

为了揭示这种激光粉床3D打印超高强钛合金的特殊强化机制的根源，研究人员对热处理前后的打印样品进行了细致的微观组织研究（图2）。结果表明，成形态的微观结构为纯体心立方β以及高密度的螺位错组态。在此基础上进行热处理形成的显微组织（宽度在10-50 nm尺度的纳米级α-沉淀物）与传统工艺制备的钛合金有很大不同，并抑制了晶界α相在热处理过程中的析出，如图2c所示。

图 2：通过激光粉床3D打印以及后续热处理Beta-C 钛合金的微观结构。

对这些纳米级α-沉淀相的进一步观察，发现了致密的三重孪晶亚结构。进一步分析确定它们是{10-11}型孪晶。这些孪晶的存在会使得α-沉淀相具有更高的热稳定性。更重要的是，这些孪晶界面可以作为滑移面释放内应力并增加六方结构α沉淀相中的滑移系数量。此外，在{10-11}孪晶界面上还观察到周期性溶质偏聚，如图3f所示。这种偏聚会对孪晶界产生钉扎效应从而进一步增加其稳定性。

图 3：3D打印Beta-C合金经后续热处理（480°C/6h）后微观结构中的纳米孪晶 α-沉淀物以及孪晶界原子偏聚。

进一步开展的分子动力学（MD）模拟揭示了打印态位错组态对后续热处理过程中纳米孪晶α-析出的作用。通过对含有致密1/2螺位错的β-相基体施加三向拉应力来模拟打印态的微观应变结构，发现α-沉淀相沿着这些位错成核，如图4所示。这是因为位错核心周围的局部应变可以显著降低沉淀相成核所需的能垒。更重要的是，所有三个孪晶相关的α变体都可以在不同的螺位错线位置单独形核。这些α变体随着加热时间延长逐渐长大并形成多个多重孪晶变体结构。这一模拟结果与图3中观察到的实验结果吻合。

图 4：致密螺位错周围纳米孪晶沉淀的分子动力学模拟。

 总结

这项工作采用增材制造技术在材料组织中引入高密度纳米孪晶沉淀物，从而获得了超强钛合金。这种在商业钛合金中实现的独特微观组织和性能可能会产生实际的工业应用。同时这项工作的研究结果也为物理冶金领域的传统沉淀强化机理和位错工程带来新的视角。

l 论文作者信息

蒙纳士大学的黄爱军教授、朱玉满高级研究员和上海理工大学王皞教授为共同通讯作者，共同第一作者为蒙纳士大学朱玉满高级研究员、张坤博士和中科院金属所孟智超博士研究生，中科院金属所/上海科技大学杨锐研究员和上海理工大学张恺副教授为共同作者。

l 谷专栏 l

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近日，南京大学科研团队发展了一种新型非互易飞秒激光极化纳米铁电畴技术，并在铌酸锂晶体中成功演示了激光3D打印纳米铁电畴，相关工作以“Femtosecond laser writing of lithium niobate ferroelectric nanodomains”为题发表在2022年9月15日的《Nature》上。

这一工作是该团队在发展激光擦除铁电畴工艺并制备出首个铌酸锂三维非线性光子晶体[1]之后的又一重大突破。

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05042-z

 研究背景

铌酸锂得益于其优越的透射谱范围、非线性光学系数、电光和压电性能，是下一代5G/6G通讯和光子芯片的重要载体。特别的是，在铌酸锂晶体中制备铁电畴结构，在非线性光学、声学滤波器、非易失铁电存储等领域有广泛的应用前景。早在上个世纪八十年代，南京大学的研究小组就采用晶体生长条纹技术在铌酸锂晶体中得到了周期为几微米的铁电畴阵列结构，验证了准相位匹配原理，开启了周期极化铌酸锂晶体（又称非线性光子晶体）在激光变频、量子光源等领域的广泛应用。要进一步提升铌酸锂铁电畴器件的性能，亟需在三维空间实现纳米精度的铁电畴结构可控制备。然而，受限于传统加工技术，该问题一直是困扰研究人员的巨大挑战。

 研究亮点

此次，南京大学的研究团队发展了一种新型非互易激光极化铁电畴技术，将飞秒脉冲激光聚焦于铌酸锂晶体内部进行直写，得到了纳米线宽的三维铁电畴结构。在直写过程中，铌酸锂晶体在高强度激光作用下发生多光子吸收，导致局部晶体温度升高，既使得铌酸锂晶体的局域矫顽场降低，又在晶体内部形成了一个有效电场。

图1 飞秒激光3D打印纳米铁电畴

在二者共同作用下，晶体内部形成一个有效区域，可以实现铁电畴极化反转。同时，有效电场方向的分布特性决定了激光直写铁电畴具有非互易特性，即沿不同方向直写可以实现不同线宽的铁电畴极化以及反极化。研究人员利用这一特性设计了不同的加工工艺，在三维空间上均实现了突破衍射极限的铁电畴线宽控制，实验中成功制备出线宽为100 nm ~ 400 nm的条形铁电畴和尖端宽度为30 nm的楔形铁电畴。同时，还演示了铁电畴结构从一维向二维和三维的结构转换，并实现了高效非线性光束整形。此外，该加工方法得到的铁电畴具有良好的稳定性，经过两年的时效处理或者300℃高温处理后依然稳定存在。

这一工作将飞秒激光极化技术与铌酸锂铁电畴工程有机结合，突破了传统技术的壁垒，首次在三维空间实现了纳米铁电畴可控制备。将其应用于量子光学领域，可实现高效、高维和窄线宽量子纠缠产生；在电子学领域，可以推动高性能铁电畴壁纳米电子器件的发展，譬如大容量可重写非易失性存储器；在声学领域，纳米周期的铁电畴结构可以实现超高频声学谐振器和滤波器。飞秒激光极化技术可以进一步应用于其他铁电晶体，包括钽酸锂和磷酸钛钾晶体等，并促进高性能三维光、声、电集成器件的发展。

该项研究工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金、固体微结构物理国家重点实验室和人工微结构科学与技术协同创新中心的支持。

[1]: Nature Photon. 12, 596 (2018); Nature Commun. 10, 4193 (2019); Light Sci. Appl. 10, 202 (2021); Optica 8, 372 (2021)

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双光子聚合 (2PP)3D打印技术可以帮助改进 X 射线成像技术？近日，瑞士的 Paul Scherrer 研究所的一个研究小组与 XRnanotech GmbH 合作开发了世界上第一个使用Nanoscribe 的微加工3D打印技术的X射线消色差光学器件。这种新设备无需任何焦距调整即可在宽X射线能量范围内实现亚微米消色差聚焦。

该研究发表在Nature Communications上。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28902-8

3D打印X射线消色差光学器件
© NanoScribe

 基于微加工3D打印技术的创新

X射线成像技术最突出的例子是用于医学诊断的射线照相术。该技术可以对骨骼、器官和其他身体组织等组织进行非侵入性分析。而且X射线技术不仅在医疗领域提供了强大的诊断工具。由于 X 射线对材料的深入渗透，X 射线显微镜可以帮助详细研究对可见光不透明的物体的内部结构。此外，X 射线的小波长允许对最小样本精确到纳米级的单个病毒进行高分辨率图像。

目前，基于X射线的显微镜仅限于窄带宽辐射源，因为现有的折射和衍射光学器件存在固有色差，导致不同 X 射线能量的焦点位置不同。

瑞士Paul Scherrer研究所的科学家和XRnanotech公司的专家在一项联合研究中解决了这个问题，并通过Nanoscribe 的3D打印技术的帮助下开发了第一个X射线消色差片。

这种消色差光学器件由两个元件组成，一个由电子束光刻制造的菲涅耳波带板 (FZP) 和一个由四个组合抛物面微透镜组成的3D打印折射微透镜堆栈。双光子聚合 (2PP)3D打印技术制造的微透镜堆栈是开发的核心，使扫描透射 X 射线显微镜 (STXM) 在广泛的 X 射线能量范围内没有色差。

 高纵横比复合折射微光学

色差校正的逻辑可以追溯到 18 世纪。将一个由冠状玻璃制成的聚焦透镜和一个由火石玻璃制成的散焦透镜堆叠在一起，形成了一个消色差双合透镜，可纠正由于两种材料的不同色散特性而导致的可见光色差。

研究小组必须克服一些挑战才能将这一概念转移到 X 射线系统中。对于高能 X 射线，材料之间的色散差异可以忽略不计，因此双合透镜概念不能直接应用于 X 射线消色差透镜。

相反，研究人员利用了衍射和折射透镜的不同聚焦特性。虽然折射透镜的焦距与能量的二次方成比例，但衍射光学器件表现出焦距对能量的线性依赖性。这使得可以通过将聚焦衍射FZP与散焦折射透镜组合来消除聚焦衍射FZP的色差。

 3D打印的微透镜堆栈

为X射线消色差透镜制造合适的折射透镜对科学家来说是最大的挑战，因为与可见光不同，X 射线不容易折射，折射宏观透镜的焦距变得不切实际。

a 消色差聚焦原理：散焦折射透镜 (RL) 的色度作为聚焦菲涅耳波带片 (FZP) 色度行为的校正器。b 通过电子束光刻和镍电镀制造的镍 FZP 的扫描电子显微镜 (SEM) 图像，用于比较测量。c RL 的 SEM 图像，由四个堆叠的抛物面组成，使用双光子聚合光刻 3D 打印。d 使用消色差作为聚焦光学器件的扫描透射 X 射线显微镜 (STXM) 和 ptychography 实验装置示意图。

© Nature Communications

STXM 的比较结果显示，使用消色差（顶部）和常规 FZP（底部）获得的能量范围为 6.0 keV 到 6.4 keV。虽然 FZP 图像的对比度随能量迅速变化，但使用消色差获得的图像质量变化很小。

双光子聚合 (2PP)3D打印技术的这四个 2PP 制造的微透镜的半径仅为 5.3 μm，高度为 236 μm，由于 X 射线材料的折射率略低于 1，因此研究人员打印了凸面微透镜来实现 X 射线的散焦，而可见光透镜会以相同的方式聚焦光。

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