給鋁片“蓋章”，這項技術(shù)有望讓智能設(shè)備防水又吸汗！

西湖大學(xué)未來產(chǎn)業(yè)研究中心、工學(xué)院教師文燎勇的實驗室里，有一種很常見的鋁卷，它和我們常見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，擺著一臺課題組定制的機(jī)器。10厘米見方的鋁片會被送進(jìn)這里，可以接受至少3次“蓋章”（壓印）加工。

實驗室里很常見的鋁卷

這是文燎勇課題組經(jīng)過四年研究，成功開發(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程中產(chǎn)生的硬化效應(yīng)，首次實現(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。

實驗室自研鋁基跨尺度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“凡爾賽”一下的稀罕珍寶。但19世紀(jì)以來，鋁的工業(yè)化生產(chǎn)就已經(jīng)非常成熟，當(dāng)今中國鋁產(chǎn)量已經(jīng)占據(jù)全球一半以上，我們再也不稀罕“鋁”了。對大多數(shù)人來說，每天手握鋁的時間可能都長達(dá)數(shù)個小時，因為多數(shù)手機(jī)和筆記本電腦的外殼就是鋁經(jīng)過陽極氧化做出來的。

金屬材料在加工變形后，力學(xué)強(qiáng)度和硬度都會升高，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)度密度會大大增加。文燎勇課題組正是利用了鋁金屬在加工過程中所展現(xiàn)出的硬化效應(yīng)，在對鋁一層又一層連續(xù)壓印中，確定保留各個尺度的精密結(jié)構(gòu)。

課題組開發(fā)的鋁卷第一層，是納米級的圖案。幾千萬個直徑只有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納米跳級到了10微米，像在綴滿針眼的橡皮泥上摁下幾萬個手指印，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壓印代表性實物和局部放大SEM圖

通過多層壓印和陽極氧化創(chuàng)新結(jié)合，鋁基3D制造技術(shù)，可以同時對納米、微米、宏觀多個“圖層”進(jìn)行自定義設(shè)計和精細(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)將對各種智能器件產(chǎn)業(yè)發(fā)展建立堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。文燎勇表示：“現(xiàn)在越來越多的智能手環(huán)手表，可以測心率、氧飽和、睡眠質(zhì)量，而實現(xiàn)這些功能的傳感器，就是器件的一種?！币灾悄苁汁h(huán)手表中用來監(jiān)測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)，如果在簡單的平面上施加輕微壓力，變化可想而知不會很大；但如果這個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技術(shù)成功做出了第一款新型的、定制化的傳感器。他們在一款能夠監(jiān)測心率的器件中，通過一個3D集成系統(tǒng)，加入了汗液成分監(jiān)測功能，讓器件又能防水還能“吸水”。目前，實驗室開發(fā)的試驗傳感器已經(jīng)成功實現(xiàn)了連續(xù)一周的心率和汗液監(jiān)測，證明了其在實際生理監(jiān)測中的應(yīng)用潛力。

文燎勇說，鋁基跨尺度3D制造技術(shù)具有高度個性化定制的能力，非常適合與人工智能結(jié)合?！搬槍μ囟ǖ膽?yīng)用場景和功能需求，讓AI先完成結(jié)構(gòu)和材料的智能化設(shè)計，再由鋁基跨尺度3D制造技術(shù)精準(zhǔn)實現(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代?！?/p>